Разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика

Лекция № 10.

В теории газового разряда важное значение имеет разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика.

В высоковольтных устройствах практически неизбежно сов­местное использование газообразных и твердых диэлектриков. Вдоль поверхности их раздела при определенных условиях могут создаваться возможности возникновения скользящего разрядаили разряда по поверхностидиэлектрика. Скользящий разряд в форме искры может перекрыть расстояние между электродами по поверх­ности диэлектрика и при достаточной мощности источника пита­ния завершиться дуговым разрядом. Каналы искрового и тем более дугового разрядов имеют высокую температуру (тысячи градусов); под влиянием нагрева может произойти разрушение диэлектрика. Предупреждение опасности возникновения разряда поповерхности представляет одну из существенных задач при конструировании изоляционных устройств.

Типичные расположения электродов, используемые при изу­чении особенностей развития скользящего разряда, представлены на рис. 1.

Расположение на рис. 1,а в практическом выполнении встречается реже, чем два других, однако его исследование дало возможность выявить закономерности, позволившие сделать ряд ценных выводов о физических процессах, сопутствующих разви­тию разряда.

Расположения, представленные на рис. 1,б и в, характерны для изоляционных конструкций с неоднороднымполем, встречаю­щихся в изоляторостроении(опорные и проходные изоляторы). При этом в схеме рис. 1 б превалирующее значение имеют нормальные составляющие напряжен­ности поля к поверхности диэлектрика, в схеме рис. 1 в - тангенциальные составляющие напряженности.

Рис.1.

Рис. 1. Типичные картины электрическогополя при исследовании условий развития скользящего разряда. 1 - электроды; 2 - диэлектрик.

Развитие разряда по поверхности твердого диэлектрика облегчается под влиянием ряда обстоятельств. К ним относятся: конденсация влаги на поверхности диэлектрика, особенно в случае гигроскопических диэлектриков, где она образует проводящую тонкую пленку; наличие на поверхности растворимых солей и других загрязне­ний, повышающих проводимость этой пленки.

Вследствие шероховатости диэлектрика между его торцом и поверхностью электрода нередко имеются микроскопические зазоры. Два элемента диэлектриков с резко различными диэлектрическими проницаемостями (e_в воздуха равно единице, e_д твердого диэлек­трика, как правило, больше трех) оказываются включенными последовательно; напряженность в воздушной прослойке может превысить начальную, и тогда воздушное включение ионизи­руется. Микроскопические неровности и трещины на поверхности также могут быть причиной подобных явлений.

Механизм образования поверхностного перекрытия можно проследить, пользуясь тремя основными схемами расположения диэлектрика в электрическом поле:

1. Изолирующий материал расположен в равномерном электрическом поле так, что его боковая поверхность параллельна линиям поля (рис.2 а, б). В данном случае как примером может быть опорный изолятор. Условно можно представить его, как объект – диэлектрик расположенный в электрическом поле (создаваемого электродами плоскость – плоскость) силовые линии которого параллельны поверхности изоляционного материала. Эквивалентная расчётная схема представлена на рисунке 2 б.

На первый взгляд может показаться, что присутствие твёрдого диэлектрика не изменит равномерности электрического поля и поэтому пробивное напряжение воздуха вдоль твёрдого диэлектрика останется таким же, как и при отсутствии его. Однако опыт показывает, что присутствие твёрдого изолирующего материала влияет на величину разрядного напряжения: оно уменьшается в несколько раз.

Указанная конструкция представляет собой многослойный конденсатор. Допустим, что воздушный зазор

Рис. 2 б. сосредоточен около одного из электродов и имеет ширину 2δ.

Напряжение, приложенное к такому конденсатору, распределится обратно пропорционально ёмкости слоёв. Обозначим индексом “в” величины, относящиеся к воздушной прослойке, индексом “т” – к твёрдому диэлектрику. Тогда приложенное напряжение распределится:

U = U_в + U_т , а = .

Ёмкость слоёв определяется из выражений:

С_в = , С_т = , если а >> 2δ, то

С_т ≈ .

Тогда: ≈ , U_т = U_в · .

С другой стороны, U_в = U - U_т ≈ U - U_в ·

Откуда напряжение приходящееся на воздушную прослойку, будет определятся выражением: U_в ≈ U .

Если а >> 2δ, то U_в ≈ U ·ε, а напряжённость электрического поля:

Е_в = ≈ ·ε.

Таким образом, в узком щелевом зазоре между твёрдым изолирующим материалом и электродом напряжённость электрического поля возрастает в ε раз. Продукты ионизации, вытекая из узких щелей резко усиливают ударную ионизацию вдоль боковой поверхности твёрдого диэлектрика, поэтому напряжение перекрытия оказывается значительно меньше, чем пробивное напряжение воздушного промежутка без присутствия твёрдого диэлектрика.

2. Диэлектрик расположен в резко неоднородном электрическом поле (Рис. 3)
так, что его касательная составляющая напряжённости электрического поля Е_τ на большей части боковой поверхности преобладает над нормальной Е_N рисунок 3.

Рис 3.

Поскольку в данном случае между электродами образуется резко неравномерное поле с ярко выраженными очагами ионизации, напряжение перекрытия окажется значительно меньшим, чем в первом случае.

Однако если сопоставить напряжение перекрытия воздушного промежутка того же расстояния и теми же электродами, то разница в напряжениях будет очень мала. Связано это с тем, что в данном твёрдый диэлектрик практически не влияет на процесс ионизации газа. Образующиеся в очагах ионизации заряды как бы скользят вдоль поверхности твёрдого диэлектрика, так как линии поля почти параллельны этой поверхности.

3. Диэлектрик расположен в резко неравномерном электрическом поле
так, что по всей его поверхности нормальная составляющая напряжённости электрического поля Е_N преобладает над касательной Е_τ.

При постепенном увеличении напряжённости напряжения в очагах ионизации можно наблюдать

Рис. 4. корону, которая охватывает очень тонкий слой воздуха в непосредственной близости от поверхности твёрдого диэлектрика. При визуальном наблюдении за этой стадией разряда создаётся впечатление, что светящиеся голубовато – фиолетовым светом нити как бы стелятся по поверхности диэлектрика. Заряды, образующиеся в области коронирования, подхватываются силами поля и движутся вдоль поверхности твёрдого материала, прижимаясь к нему нормальной составляющей поля. Движение зарядов с трением вызывает термоионизацию поверхности твёрдого диэлектрика и ведёт к усилению коронного разряда. Из области короны начинают вырываться отдельные слабо светящиеся нити, длина и яркость свечения которых с повышением напряжения возрастают, и образуют скользящие разряды. После того, как скользящие разряды перемыкают электроды, наступает перекрытие по поверхности. Напряжение перекрытия для данного случая имеет наименьшее значение из рассмотренных выше способов расположения электродов и твёрдого диэлектрика.

Для разрядов по поверхности сохраняется общая закономерность, чем выше степень неравномерности поля, тем ниже U_Р. Корона возникает в местах повышенной Е, переходит в искровой разряд, так называемый скользящий разряд. Нормальная составляющая Е_N прижимает эти разряды к поверхности, вызывая ее разогрев, термическую ионизацию с разрушением изоляции, образованием проводящего канала и дальнейшим развитием до перекрытия.
Напряжение появления скользящих разрядов может быть определено по формуле:

U_ск = 1,36 · 10⁴ · С^{- 0,44},

где С – удельная поверхностная ёмкость. Соответственно разрядное напряжение:
,

где S – расстояние между электродами
скорость нарастания напряжения.
Повышение разрядного напряжения может быть достигнуто рациональным выбором формы изоляции (Е_N должно быть направлена от поверхности диэлектрика), увеличением пути разряда (ребра), улучшением поверхности д.э. (глазирование, лак), ликвидацией мест концентрации Е (покрытие полупроводящими пастами, красками), увеличением толщины диэлектрика. Изоляторы, работающие на открытом воздухе при дожде, должны выполняться с сильно развитыми ребрами, так как смоченная поверхность обладает хорошей проводимостью, и все напряжение будет приложено к частям изолятора, оставшимся сухими.
Большим недостатком изоляционных конструкций типа длинных изоляторов, штанг или гирлянд является неравномерное распределение напряжения по их длине, вызванное наличием ёмкости относительно провода. Установлено, что при 100% влажности (760 мм рт. ст.,20° С) с твердым диэлектриком 2в форме цилиндра (рис. 1.а ), помещенным в однородном поле, показали, что среднее значение разрядного напряжения по поверхности (с учетом разброса) практически совпадает с пробивным напряжением воздуха для электродов стержень-плоскость.

В неоднородном поле для развития скользящего разряда решающую роль играет характер распределения напряженности электрического поля; вызываемые ею ионизационные процессы, очевидно, должны начаться у электрода с малым радиусом кри­визны (острого края, канта и т. п). Наиболее благоприятные условия для развития скользящего разряда представлены схемой рис. 1 б, из рассмотрения которой возможно установить после­довательность фаз развития разряда и основные его закономер­ности. Схема замещения такого расположения представлена на рис. 5. Между электродами А и В расположен плоский

Рис. 5.

Электрическая схема замещения расположения элек­тродов, показанных на рис. 3.9 б.

диэлектрик, характеризуемый удельной емкостью с, отнесенной к единице его поверхности, удельным объемным сопротив­лением утечки r, шунтирующим емкость с, и комплексным удель­ным сопротивлением z₁, z₂,.., z_n по поверхности, рассчитан­ным на единицу длины полоски L шириной в 1 см. В качествен­ном диэлектрике r обычно су­щественно выше [ z], вследствие загрязнений поверхности, кон­денсации влаги и т. п. Наиболее неблагоприятные обстоятельст­ва для работы изоляции по этой схеме возникают при изменяю­щемся напряжении - перемен­ном и импульсном, так как пре­обладающее влияние на разви­тие скользящего разряда ока­жут процессы в емкостях. При переменном напряжении на элек­тродах А и В в цепи возникает ток, протекающий через все элементарные емкости С. В це­почке сопротивлений z₁, z₂,.., z_nпроисходит падение напряжения, постепенно нарастающее по мере приближения к краю электрода А; там возникнут высокие напряженности поля и могут начаться ионизационные процессы. Рассмотрение схемы рис. 5 позволяет сделать следующий вывод: чем больше емкости Си чем меньше сопротивления утечки r, тем больше ток, протекающий через цепочку параллельно вклю­ченных ячеек (С_k, Р_k ), тем большим будет падение напряжения на сопротивлениях z₁, z₂,.., z_n;ионизация в воздухе близ электрода А начнется уже при относительно малом напряжении, приложенном к электродам. Изменяя величину сопротивления z₁, z₂,.., z_n, можно влиять на распределение напряжения вдоль поверхности диэлектрика и, в частности, повысить равномерность его распределения, если выполнить условие z₁ < z₂ <…< z_n. Это условие повышения напряжения начала ионизационных процессов и сколь­зящих разрядов по поверхности твердых диэлектриков можно осуществить, нанося на поверхность диэлектрика слои полупроводящих лаков разной проводимости, полупроводящие покрытия применяются в ряде высоковольтных конструкций, например, в изоляции статорных стержней электрических машин.

Визуальное наблюдение развития разряда по поверхности по­зволяет отметить следующие его фазы: при начальном напряжении украя электрода Авозникает свечение в форме коротких прямых параллельных и плотно расположенных светящихся нитей-штри­хов - при положительном полупериоде и в форме узкой светя­щейся полосы - при отрицательном полупериоде напряжения. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя по по­верхности диэлектрика начинают прорываться неустойчивые искры, длина которых быстро увеличивается с ростом напряже­ния; в пределе искра по поверхности перекрывает всю длину диэлектрика, дает эффект короткого замыкания и переходит, при достаточной мощности источника энергии, в дуговой разряд. Как первая, так и вторая стадии развития скользящего разряда могут повредить поверхность диэлектрика: искра скользящего разряда, имея высокую температуру канала, обжигает диэлектрик, оставляет на нем след. Особенно опасен такой разряд для диэлек­триков органического происхождения, так как после прекращения разряда на пути искры остается обугленный след с повышенной проводимостью. Начальная стадия разряда также повреждает поверхность диэлектрика, особенно при длительном воздействии напряжения (окисление, разложение и т. п.).

Описанные выше устойчивые фазы разряда по поверхности можно наблюдать при расстояниях между электродами, превышающих некоторое минимальное, зависящее от толщины диэлектрика и его электрических характеристик. Это расстояние не превышает единиц сантиметра; при меньших рас­стояниях происходит полное перекрытие промежутка по достиже­нии начального напряжения короны.

При импульсных напряжениях со значительной величиной dU/dt явления скользящего разряда развиваются весьма интен­сивно, причем решающее значение в этих процессах имеют емкост­ные токи. При длинах искры скользящего разряда, превышающих 10 - 20 см, дальнейшее увеличение пути скользящего разряда в этих условиях дает относительно малые приращения разрядного напряжения.

При постоянном напряжении удельные емкости не оказывают влияния на процесс развития скользящего разряда, зависящего лишь от схемы включения омических сопротивлений и их вели­чин. Опыт показывает, что зависимость разрядных напряжений от расстояния по поверхности между электродами близка к зави­симости пробивного напряжения воздушного промежутка в резко неоднородном поле.

Контрольные вопросы:

1. В чём разница между пробоем твёрдого диэлектрика и перекрытием его по поверхности?

2. Где возникают носители заряда и почему, при развитии разряда по поверхности?

3. Назовите варианты характерного расположения диэлектрика при возникновении разряда по поверхности?

4. Чем может быть достигнуто повышение разрядного напряжения?

5. Какова закономерность определяющая величину разрядного напряжения?