Влияние конструктивных особенностей изоляторов на напряжение перекрытия

Ответ:Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции рис. 6а, силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле, казалось бы, однородно. В конструкции рис. 6б поле неоднородно, тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика E_t преобладает над нормальной составляющей E_n. В конструкции рис. 6в поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая E_n > E_t. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных установках, но удобна при выявлении характеристик диэлектрика на причину возникновения разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

Рис. 6. Характеристика конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком

В изоляционной конструкции рис. 6а, электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем чисто воздушного промежутка (рис. 7)

Рис. 7. Зависимость разрядного напряжения по поверхности образцов от расстояния между электродами (рис. 6а): 1 – чисто воздушный промежуток; 2 – фарфор; 3 – стекло; 4 – фарфор и стекло при неплотном прилегании электродов к диэлектрику. Это связано с абсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом. Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется (рис. 8).

Рис. 8. Распределение напряжения вдоль поверхности стекла при напряжении, близком к разрядному (промежуток по рис. 6а). Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора. Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3…4 раза больше чем воздуха). Увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы, электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряженности перекрытия. Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытие из малогигроскопичных материалов, защищающих диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные прокладки. В изоляционной конструкции на рис. 6б, поле неоднородно, а следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров качественно такое же, как и в конструкции на рис. 6а, но оно выражено слабее, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа (трека) с повышенной проводимостью. Длина этого следа со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности. Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 6в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкции на рис. 6б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположенному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит значительный ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающийся вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля E_n превышает тангенциальную составляющую E_t, называют каналом скользящего разряда. Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера. Поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка больше, чем в каналах стимера. Увеличение напряжения на не перекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами. Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположенного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда составляет , (3) где c₁ – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость (емкость единицы поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода). Из формулы (3) при подстановке вместо l_ск расстояния между электродами по поверхности диэлектрика L можно определить значении напряжения U_p, необходимого для перекрытия изолятора. Если же принять С = ee₀/d, где d – толщина диэлектрика и считать значение du/dt постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, то из (3) получим:

.(4)

Из (4) следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развития разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений. При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.