Поверхностный пробой

Типы корон и их идентификация.

Отрицательная "подобная пламени" корона. Этот тип короны обычно имеет место на проводнике, заряженном отрицательно. Этот тип короны выглядит как пламя, форма, направление и размер которого постоянно изменяются. Эта корона очень чувствительна к изменению параметров окружающей среды. Ее возникновение также приводит к появлению звукового сигнала примерно удвоенной промышленной частоты (например, 100 Гц) или кратной ей.

Положительный тлеющий коронный разряд. Положительный тлеющий коронный разряд образуется на проводнике, заряженном положительно. Он обычно встречается в местах с острыми углами. Этот тип короны имеет небольшой размер и выглядит как свечение вокруг определенного места. Это относительно слабый источник коронного разряда, и он создает очень незначительный звуковой сигнал.

Все искровые промежутки являются причиной серьезных радиопомех.

Если корона полностью видима невооруженным глазом (ночью), то она вызовет серьезные радиопомехи. Положительный тлеющий коронный разряд не вызывает серьезных радиопомех.

Поверхностный разряд — пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика.

Выше был рассмотрен механизм пробоя и влияние различных факторов на электрическую прочность воздуха для случаев, когда воздух являлся единственным диэлектриком, заполнявшим межэлектродное пространство. Между тем используемые на практике диэлектрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых диэлектриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения, в жидких диэлектриках — газовые пузырьки, коллоидные частицы и вещества, образующие эмульсии и суспензии. Широко используют слоистые диэлектрики (гетинакс, текстолит, миканиты и др.). Поэтому большое практическое значение имеет знание картины распределения вектора напряженности электрического поля в многослойных диэлектриках в зависимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств.

Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состояниях. Наиболее часто встречается комбинация твердый диэлектрик — воздух. При внесении в равномерное электрической поле диэлектрика картина поля искажается, поле становится неоднородным.

После внесения твердого диэлектрика в однородное поле, это поле в межэлектродном пространстве становится неоднородным, и пробой наступает при более низком напряжении.

Практически всегда вектор напряженности электрического поля имеет тангенциальную составляющую, действующую по касательной к поверхности диэлектрика.

Действие тангенциальной составляющей поля зависит не только от физической природы и характеристик диэлектрика, но и от состояния поверхности, подвергающейся воздействию электрического поля. На поверхности твердого диэлектрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более. Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением непрерывности и толщины пленки количество ионов возрастает. Чем больше ε и λ_s твердого диэлектрика, меньше краевой угол смачивания θ, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной примесью, выше относительная влажность воздуха и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следовательно, больше в ней ионов. У стекол, кроме того, часть ионов щелочных металлов, являющихся структурными элементами стекла, переходит в адсорбированную влагу, увеличивая концентрацию заряженных частиц.

Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги является решающим фактором в нарушении однородности электрического поля, в результате чего разрядное напряжение Up снижается.

Особенно значительно Up снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика. В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится еще более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.

Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения Up.

Из вышеизложенного вытекают три практических вывода.

Первый — радикальным и почти единственным методом повышения Up изоляторов в реальных условиях, когда присутствие влаги в воздухе неизбежно, является удлинение пути смещения ионов по поверхности (удлинение пути тока утечки) путем устройства ребер и юбок.

Второй — использование материалов с минимальной гигроскопичностью, т. е. материалов с минимальной диэлектрической проницаемостью и удельной поверхностной электропроводностью и максимальным краевым углом смачивания (например, политетрафторэтилен, кремнийорганическая резина).

Третий — недопустимость неплотного прилегания электродов к диэлектрику в электроизоляционных конструкциях, так как это ведет к существенному падению Up. Эти дефекты устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких токопроводящих прокладок или металлизацией поверхности диэлектрика, соприкасающейся с электродом.

В развитии поверхностного разряда выделяются следующие фазы развития поверхностного разряда: вначале на коротком электроде (обычно он имеет вид фланца) возникает свечение в виде короны. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя прорываются неустойчивые искровые разряды в виде стримеров, длина которых быстро растет с увеличением напряжения. Затем появляются отдельные скользящие разряды, представляющие собой неполный поверхностный пробой. Завершается процесс полным поверхностным перекрытием.

Скользящие искровые разряды и особенно дуговой разряд, имея высокую температуру канала (несколько тысяч градусов), обжигают поверхность диэлектрика, оставляя на ней, после снятия напряжения, след — трек.

Особенно опасен такой разряд для органических диэлектриков. Трек имеет более высокую проводимость и поэтому вызывает резкое снижение Up при повторной подаче напряжения даже в случае сухой поверхности твердого диэлектрика. Поэтому при выборе материала для изготовления изоляторов нужно учитывать его трекингостойкость, т. е. стойкость к действию скользящих разрядов.

Коронный разряд также повреждает поверхность твердого диэлектрика при длительном воздействии (окисление, разрушение). При этом могут корродировать и металлические части (электроды) электроизоляционных конструкций.