1.1.14. Вплив часу додатка напруги на електричну
міцність газової ізоляції

 

При короткочасних імпульсах значення розрядної напруги повітряних проміжків залежить від тривалості впливу. Якщо до проміжку прикладене напруга, достатнє для пробою, то для розвитку й завершення розряду в проміжку необхідно певний час t_р, називаний часом розряду.

 

Рис. 1.17. Тимчасова структура розвитку
розряду на імпульсній напрузі

 

Імпульсний пробій може відбуватися або при рості напруги, або на її спаді (рис. 1.17). Якщо U_н – напруга, при якій виконується умова самостійності розряду, то до моменту t₀ розряд у проміжку принципово відбутися не може.

Розвиток самостійного розряду починається з появи в проміжку ефективного початкового електрона, що є випадковою подією. Час очікування ефективного електрона t_с піддано розкиду й тому називається статистичним часом запізнювання розряду. Це перша складова часу розряду. Отже, розвиток розряду в проміжку почнеться не в момент часу t₀, а в будь-який момент t₂ = t₀ + t_С.

Іншою складовою, що має також статистичний характер, є час формування розряду t_Ф, тобто  час від моменту появи початкового електрона до завершення пробою проміжку. Цей час називається часом запізнювання розвитку розряду t_з = t_с + t_Ф.

Таким чином, у загальному випадку час розряду визначається як

 

                              t_р = t₀ + t_с + t_ф.                     (1.48)

 

Статистичний час запізнювання розряду залежить від напруги між електродами, матеріалу електрода й стану його поверхні, інтенсивності зовнішнього іонізатора. У різконеоднорідних полях t_с невелике й слабко залежить від зовнішньої іонізації.

Час формування розряду t_ф практично визначається сумою тривалості лавинної, стримерної і іскрової (у сантиметрових проміжках) стадій. При збільшенні напруги зменшується час розвитку лавин, стримерів і іскри, а отже, і час формування розряду.

Залежність максимальної напруги розряду від часу дії імпульсу називається вольт-секундною характеристикою ізоляції (ВСХ).

Рис. 1.18. Параметри грозового імпульсу й час розряду:
 t_ф – тривалість фронту імпульсу; t_и – тривалість імпульсу;
 t_р – час запізнювання розряду

 

Оскільки початок і швидкість розвитку іонізаційних процесів залежать від значення напруги, вольт-секундні характеристики залежать від форми імпульсу. З метою уніфікації випробувань і можливості зіставлення ізоляційних конструкцій установлений стандартний грозовий імпульс 1,2/50 мкс (рис. 1.18).

Для експериментального визначення вольт-секундної характеристики на досліджуваний проміжок подаються імпульси стандартної форми. При кожному значенні максимальної напруги імпульсу виконується серія дослідів.

У силу статистичного розкиду часу розряду вольт-секундна характеристика отримується у вигляді області точок (рис. 1.19), для якої вказуються крива середніх значень і границі розкиду часу розряду.

Вид вольт-секундної характеристики залежить від ступеня неоднорідності електричного поля в проміжку. Для проміжків з однорідним або слабонеоднорідним полем U_пр слабко залежить від t_р (рис. 1.20, крива 1). Починаючи із часу запізнювання t_р ³ 3 · 10^–7 c, розкид значень U_пр складає  DU_пр £ 3 %, що дозволяє використовувати проміжок між шаровими електродами для виміру максимальних значень напруги.

 

Рис.  1.19. Побудова вольт-секундної характеристики
ізоляції за дослідними даними (грозові імпульси):
1 – імпульси напруги; 2 – крива середніх значень пробивної
напруги; 3 – границі розкиду пробивних напруг

 

Рис. 1.20. ВСХ захисних розрядників і ізоляції:
1 – ВСХ вентильного розрядника (однорідне поле);
2 – ВСХ трубчастого розрядника (різконеоднорідне поле);
3 – ВСХ  об'єкта, що захищає; 4 - імпульс напруги

 

Ефект полярності

У різконеоднорідних полях розрядна напруга залежить від форми електродів (ступеня неоднорідності електричного поля) поблизу електродів. Якщо розрядний проміжок несиметричний, то розрядна напруга при негативній полярності електрода з меншим радіусом кривизни істотно вище, ніж при позитивній (рис. 1.22). Розходження розрядних напруг при різних полярностях пояснюється тим, що при позитивній полярності стрижня електрони рухаються із зони розряду до анода в полі, що підсилюється, а позитивно об'ємний заряд, що залишається поблизу електрода збільшує напруженість електричного поля в зовнішній частині проміжку.

 

При негативній полярності вістря (стрижня) електрони рухаються в дивергуючому полі, а малорухомі позитивні іони повільно залишають зону іонізації, що приводить до утворення негативного заряду, що утруднює емісію електронів з катода. Для розвитку розряду потрібно значно більша напруга.

Вольт-секундні характеристики проміжків з різконеоднорідним полем (рис. 1.20, крива 2) мають досить велику кривизну, оскільки в таких проміжках t_ф сильно залежить від значення прикладеної напруги. Для таких проміжків при грозових імпульсах характерні великіі розрядні напруги U_р, чим при змінній напрузі промислової частоти 50 Гц – U~. Відношення

 

                                                       (1.49)

 

називається коефіцієнтом імпульсу і звичайно відноситься до певного часу розряду.

Проміжки з однорідним і слабонеоднорідним полями мають К_имп = 1 практично у всьому діапазоні часів розряду t_р ³ 10^–7 с.

Вольт-секундні характеристики широко використаються для координації ізоляції високовольтного встаткування, тобто  для захисту від впливу грозових і комутаційних впливів. Із цією метою, об'єкту, що захищається паралельно, включається повітряний розрядник з пологою ВСХ.

Надійний захист буде забезпечуватися, якщо ВСХ розрядника лежить нижче ВСХ устаткування, що захищається, у всьому діапазоні часу напруги, що впливає (рис. 1.20, крива 1).