Разряд в воздухе вдоль поверхности твердой изоляции

В электрическом оборудовании всегда имеет место сочетание твердых, жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому возможно возникновение разрядного процесса вдоль поверхности раздела этих диэлектриков. Этот разрядный процесс называется поверхностным.

Поверхностные разряды могут перекрывать изоляционные промежутки и при большой мощности источника питания носить дуговой характер. Дуговой разряд может привести к разрушению поверхности. Поэтому при разработке изоляционной конструкции необходимо исключить возможность развития поверхностного разряда.

Разрядное напряжение на поверхности изоляции зависит от рода напряжения и формы электрического поля. В зависимости от конструкции изоляции диэлектрик может находиться в однородном поле, когда силовые линии параллельны поверхности диэлектрика (рис. 1.11, а), или в неоднородном поле, когда силовые линии имеют преобладающую тангенциальную (рис. 1.11, б) или нормальную составляющую (рис. 1.11, в). Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

В изоляционной конструкции (см. рис. 11, а) электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем прочность чисто воздушного промежутка. Это связано с адсорбцией 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. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.

Рис. 1.11. Примеры расположения диэлектрика в электрическом поле

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 к микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым ди-электриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие 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 проводящие прокладки.

В изоляционной конструкции (см. рис. 1.11, б) поле неоднородное, следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 1.11, а, но оно слабее выражено, т. к. электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чистовоздушном 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 с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Всe сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1.11, в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкция на рис. 1.11, б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, 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 стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

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.