РазрЯд в воздухе по поверхности твердого диэлектрика

 

 

Цель работы - ознакомиться с особенностями развития и протекания разрядов в воздухе вблизи поверхности твердого диэлектрика (поверхностных разрядов) в полях различной формы.

Введение твердого диэлектрика в воздушный промежуток существенно влияет на его пробивное напряжение и характер развития разрядов, и может привести к снижению электрической прочности.

Разряд вдоль поверхности диэлектрика, расположенного в газовой среде, является типичным разрядом в газе, находящемся в электрическом поле, искаженном диэлектриком, Искажение-усиление поля в отдельных местах происходит вследствие разницы в диэлектрических проницаемостях диэлектрика и газа, а также повышенной проводимости диэлектрика, вызванной наличием влаги на поверхности диэлектрика и в нем самом. Это усиление поля приводит к снижению разрядных напряжений (начала разряда и поверхностного пробоя-перекрытия). Снижение напряжения перекрытия особенно сильно проявляется, когда диэлектрик находится в среде сжатого газа. В этом случае напряжение перекрытия может быть в 2-3 раза меньше, чем пробивное напряжение соответствующего чистого газового промежутка (промежутка в отсутствие диэлектрика), тогда как при атмосферном давлении воздуха соответствующее снижение обычно равно примерно 30% и менее.

Поверхностные разряды могут возникать в виде короны, скользящего разряда и поверхностного перекрытия (пробоя газа вблизи поверхности твердого диэлектрика). Корона сопровождается теми же внешними признаками, что и в газовом промежутке без твердого диэлектрика. Скользящий разряд наблюдается в виде ярких светящихся нитей (стримеров), ползущих по поверхности твердого диэлектрика. Поверхностное перекрытие происходит в форме искры или дуги в зависимости от мощности источника питания, вида приложенного напряжения и других факторов.

Поверхностное перекрытие может развиваться без, предшествующих ему короны и скользящего разряда. В некоторых случаях поверхностному перекрытию предшествует лишь коронный разряд. Возможен случай, когда при постепенном подъеме напряжения будут наблюдаться все возможные формы поверхностных разрядов: корона (напряжение, соответствующее появлению видимой короны U_к), скользящий разряд (при напряжении U_ск.р) и поверхностное перекрытие (U_п.п). Последний случай является наиболее тяжелым для электротехнических конструкций. Скользящий разряд, предшествующий перекрытию, способствует его развитию, напряжение U_п.п снижается. Кроме того, скользящий разряд сопровождается интенсивным озонированием, кратковременным повышением температуры канала до величины порядка 10000 °С и является источником высокочастотного излучения. Все эти факторы неблагоприятно действуют на твердые диэлектрики и могут быть причиной их разрушения и ускоренного старения.

Характер развития поверхностных разрядов и величины напряжений U_к , U_ск.р, U_п.п зависят от ряда факторов: формы электрического поля между электродами, материала твердого диэлектрика и состояния его поверхности, а также от вида воздействующего напряжения (постоянное, переменное, импульсное).

Конфигурация электрического поля определяется расположением диэлектрика в электрическом поле и формой электродов. Можно выделить три характерных случая.

1. Диэлектрик помещен в равномерное поле между плоскими электродами так, что его поверхность параллельна силовым линиям поля (рис. 3.1а). При этом нормальная к поверхности составляющая напряженности E_n электрического поля равна нулю.

2. Диэлектрик расположен в резко неравномерном поле так, что у его поверхности силовые линии не преломляются при переходе из одной среды в другую, а скользят по поверхности (рис. 3.1б).

При электродах, плотно прилегающих к поверхности диэлектрика большой толщины, нормальная составляющая напряженности электрического поля в воздухе практически отсутствует. Примерами реальных конструкций, соответствующих данному случаю, могут служить некоторые типы опорных изоляторов.

3. Диэлектрик расположен в резко неравномерном таким образом, что на его поверхности происходит преломление силовых линий (рис. 3.1в). При этом нормальная к поверхности диэлектрика составляющая напряженности E_n в воздухе значительна по величине. Такой конфигурации электрического поля соответствуют проходные изоляторы.

В реальных конструкциях, когда форма электрического поля подобна форме в случае 1, поверхностное перекрытие происходит без предшествующей короны. Однако наличие газовых прослоек между диэлектриком и электродами приводит к резкому перераспределению поля с усилением поля в газовых прослойках. Вследствие этого возникают частичные разряды в газовых прослойках, их дальнейшее развитие приводит к перекрытию при заметно пониженном напряжении.

Если газовые полости находящиеся у края диэлектрика, снижают напряжение перекрытия, то полости закрытые и полости, находящиеся в средней части контактной поверхности, являясь источниками частичных разрядов, разрушают материал диэлектрика.

Для того чтобы получить напряжение перекрытия, близкое к пробивному напряжению соответствующего газового промежутка, необходимо обеспечить хорошее прилегание поверхности диэлектрика к электродам и сушку диэлектрика под вакуумом, а в диэлектрике с большой поверхностной гигроскопичностью, (стекле) эта сушка должна выполняться, кроме того, с прогревом при 350^оС.

При давлениях, при которых перекрытие происходит без предварительного коронирования, на значение напряжения перекрытия особенно сильно влияет численное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Напряжение перекрытия при диэлектрике из фторопласта, у которого ε_г = 2, существенно выше, чем при диэлектрике из эпоксидного компаунда, у которого ε_г = 4. В промышленных конструкциях электрооборудования с изоляцией сжатыми газами для снижения эффекта газовых полостей в области контактной поверхности (краевого эффекта) применяются внутренние и наружные экраны у электродов или изоляторы конусной формы. Внутренние и наружные экраны снижают напряженности поля в газовых полостях в месте прилегания изолятора (диэлектрика) к электродам. В случае применения конусных изоляторов силовые линии поля проходят через диэлектрик только на коротком отрезке, поэтому поле в газовых полостях возрастает незначительно по сравнению с полем в газе вблизи диэлектрика в остальной его части.

В случае 2 корона предшествует перекрытию. Тангенциальная составляющая электрического поля к поверхности диэлектрика на напряжение перекрытия влияет существенно.

Загрязнения сухой пылью поверхности диэлектрика не приводит к заметному снижению напряжения перекрытия. Однако если происходит увлажнение слоя пыли (грязи) при дожде, росе или иным способом, это приводит к существенному снижению напряжения перекрытия. Образующаяся неоднородная пленка из водо-растворимых составляющих загрязняющего вещества имеет малое удельное сопротивление, токи утечки по поверхности диэлектрика взрастают и на отдельных участках поверхности вследствие неоднородности пленки происходит подсушка. На подсушенном участке увеличивается напряжение и происходит образование частичной дуги. При дальнейшем повышении напряжения дуга растягивается на весь промежуток. Аналогичные явления наблюдаются и при смачивании чистой поверхности дождем. Рассматриваемый процесс инерционный, поэтому напряжение перекрытия при импульсных напряжениях выше.

В случае 3 возможен и скользящий разряд. При расположении диэлектрика в электрическом поле по рис. 3.1в относительно небольшое расстояние между верхним и нижним электродами в вертикальном направлении, а также наличие диэлектрика между ними с диэлектрической проницаемостью, которая заметно больше проницаемости газа, приводит к резкому усилению поля в газе вблизи края верхнего электрода. Это же явление имеет место в близи головки стримера скользящего разряда, возникающего после того, как коронная стадия развития разряда, возникающего после того, как коронная стадия развития разряда с повышением напряжения переходит в следующие фазы разряда. Поэтому напряжения начала разряда (короны) и перекрытия в этом типе расположения диэлектрика в электрическом поле являются наиболее низкими.

Влияние влаги в рассматриваемом случае значительно меньше, чем в однородном поле, так как поле и так является сильно неоднородным. Распределение поля в нем определяется в основном объемными зарядами коронного разряда и последующих фаз развития заряда.

На рис. 3.2 приведена схема замещения, воспроизводящая приближенно условия формирования скользящего разряда. При анализе процесса возникновения скользящего разряда нужно иметь в виду две стадии: распределение электрического поля до пробоя воздуха и последовательный пробой участков воздуха. Распределение поля до пробоя зависит от соотношений активных сопротивлений участков поверхности R_п и сопротивлений по толщине диэлектрика R_д , а также от соотношения частичных емкостей элементов объема воздуха и диэлектрика С_в, С_в.п и С_д. При постоянном напряжении поле распределяется по активным сопротивлениям и на поверхности диэлектрика оказывается более равномерным, чем при переменном напряжении, когда поле распределяется не только по активным сопротивлениям, но и по емкостям. Чем выше скорость изменения напряжения, тем значительнее роль емкостей, и распределение поля оказывается более неравномерным. Увеличению неравномерности поля соответствует увеличение напряженности в воздухе вблизи электрода 1. Роль предварительного распределения поля проявляется в том, что с увеличением скорости нарастания напряжения или увеличения частоты его изменения начальные условия возникновения скользящего разряда улучшаются. Практически при постоянном напряжении скользящий разряд не возникает.

Последовательный пробой участков воздуха по поверхности диэлектрика вызывает заряд частичных емкостей элементов объема диэлектрика (рис. 3.2). Ток в канале пробоя существует только в процессе заряда частичных емкостей. Как только заряд заканчивается, искровой разряд гаснет. С уменьшением частичной емкости диэлектрика уменьшаются величина и продолжительность тока в искровом канале, то есть тормозится формирование скользящего разряда. Для ориентировочных расчетов напряжения появление скользящих разрядов при промышленной частоте, кВ можно воспользоваться эмпирической формулой 3.1:

U_ск = 1,92*10^-4 /С^0,45,

где С – удельная поверхностная емкость (на единицу поверхности электрода). Ф/см² эта формула дает хорошее совпадение с опытом при С≥0,25*10^-12Ф/см².

Продолжительность существования канала скользящего разряда невелика, измеряется микросекундами. Большое количество таких каналов, идущих от электрода, создает в питающей сети импульсные толчки тока.

Каналы разряда могут возникать повторно по одному и тому же пути даже при неизменном напряжении на электродах. Это объясняется тем, что частичные емкости диэлектрика после погасания канала разряда саморазряжаются через проводимость утечки диэлектрика. Саморазряжаясь, они уменьшают напряжение на диэлектрике и увеличивают напряжение, приходящееся на воздушный промежуток, что может вызвать повторное возникновение скользящего разряда. Этот процесс будет происходить тем интенсивнее, чем больше утечка по диэлектрику.

При промышленной частоте распределение напряжения по поверхности диэлектрика определяется, главным образом, соотношением емкостей С_д и С_в. Малая по величине емкость С_в (равная в среднем 2 - 3 пФ) шунтирована активным сопротивлением и практически не оказывает влияния на распределение

 

Рис. 3.1. Характерные расположения диэлектрика в электрическом поле: а - нормальная составляющая электрического поля; б - тангенциальная состовляющая поля; в - смешанная картина поля.

 

 

Рис. 3.2. Схема, поясняющая появление скользящего разряда: 1 и 3 - электроды; 2 - твердый диэлектрик; С_Д - ёмкость участков по толщине твердого диэлектрика относительно второго электрода; С_В - ёмкость в воздухе между соседними единицами поверхности твердого диэлектрика; С_ВП - ёмкость в воздухе между единицами поверхности и электродрм 1; R_Д - активное сопротивление участков по толщине твердого диэлектрика.

 

напряжения U_t вдоль поверхности диэлектрика. В реальных конструкциях емкость С_в << С_д. Чем больше соотношение С_д /С_в,тем круче ход кривой U_t=f(x) (см.рис.8), тем меньше напряжение появления скользящего разряда U_ск.р. Увеличением С_в и уменьшением С_д можно выровнять распределение напряжения U_t и тем самым повысить U_ск.р. Характер зависимости напряжения перекрытия от длины промежутка удельной поверхностной емкости, скорости изменения напряжения определяется формулой 3.2:

U_пер (l/kC)^1/5 *1(dU/dt)^1/20,

где 1 – расстояние между электродами по поверхности диэлектрика; С – удельная поверхностная емкость; k – опытный коэффициент; dU/dt – скорость изменения напряжения.

Из формулы следует, что напряжение перекрытия увеличивается весьма медленно с ростом расстояния между электродами. Поэтому в тех видах электрооборудования, где встречается такой тип электродного устройства для повышения напряжения перекрытия, применяют выравнивание распределения напряжения по поверхности диэлектрика с помощью проводящих или полупроводящих обкладок.

Увеличение напряжения появления скользящего разряда может быть достигнуто следующими способами:

1) увеличением толщины твердого диэлектрика d, при этом становится меньше емкость С_д;

2) введением воздушного зазора между твердым диэлектриком и электродом 2 (см.рис.3.4). При этом доля напряжения, приходящаяся на поверхностную емкость, уменьшается;

3) нанесением слоя полупроводящего покрытия вблизи электрода 1 (см. рис.3.3).

На рис. 3.3 приведена кривая распределения напряжения по поверхности диэлектрика с нанесением полупроводящего покрытия длиной Х_1. Сопротивление R_п резко снижается (см.рис.3.2) и емкость С_в оказывается зашунтированной малым сопротивлением. Распределение напряженности вдоль поверхности выравнивается и U_ск.р возрастает. Увеличить U_ск.р можно также за счет выбора диэлектрика с меньшим e. При этом С_д уменьшается.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

При выполнении данной работы в качестве источника высокого переменного напряжения используются установки, схемы которых приведены в работе 2 настоящих указаний.

Для воспроизведения полей различной формы имеется набор электродов и деталей из твердого диэлектрика (рис. 3.4).

 

 

 

Рис.3.3. Распределение напряжения вдоль поверхности твердого диэлектрика при расположении электродов по рис. 3.1в: 1 - при С_Д = С_Д1 без полупроводящего покрытия; 2- при С_Д2 < С_Д1; 3 - при С_Д1 с полупроводящим покрытием на длине х₁

 

Рис. 3.4. Схемы взаимного расположения электродов и твердого диэлектрика: 1, 2 - электроды с плоским основанием и заостренными концами; 3 - электрод из листового проводящего материала; 4 - лист из диэлектрика; 5 - изоляционные прокладки

а - с преобладанием нормальной составляющей;

б - с воздушным зазором;

в - с преобладанием тангенциальной составляющей

Два электрода 1 и 2 с плоскими основаниями и заостренными краями устанавливаются на листе 4 из неорганического стекла толщиной d на расстоянии а. Электрод 2 электрически соединен с листом 3 из проводящего материала (рис.3.4,а). Во избежание непосредственного перекрытия с электрода 1 на электрод 3 необходимо, чтобы а < б, где б - минимальное расстояние электрода 1 до края листа диэлектрика.

Схема рис. 3.4,в соответствует конфигурации электрического поля с преобладающей тангенциальной составляющей напряженности (см.рис.3.1,б). При проведении опытов по этой схеме необходимо класть лист стекла на изоляционные подставки небольшой площади. При размещении стекла непосредственно на столе грязь, пыль и краска могут дать эффект электрода 3.

В схеме рис.3.4,б между листовым электродом и стеклом введен зазор D_в.з, равный толщине изоляционных прокладок 5.

 

Задание к работе

 

1. Определить зависимость напряжений U_к, U_ск.р, U_п.п от толщины диэлектрика d при напряжении промышленной частоты. Опыт проводить по схеме 3.4,а. Толщину d менять за счет изменения количества листов. Во всех опытах устанавливать а = 10 см. По полученным данным построить кривые:

U_к =f(d),U_ск.р =f(d), U_п.п =f(d).

2. Собрать схему по рисунку 3.4,в, используя тот же лист стекла толщиной d, что и в предыдущем случае. Установить а=10 см. Определить напряжения Uк, Uск_.р и U_п.п. Сопоставить полученные результаты с данными опыта пункта 1.

3. Выявить влияние воздушного зазора на напряжения скользящего разряда U_ск.р и поверхностного перекрытия U_п.п. Для этого собрать схему рис.3.4,б при
а =10см., d = d₁. Величину воздушного зазора установить по указанию преподавателя. При плавном подъеме напряжения определить U_к,U_ск.р, U_п.п . Полученные результаты сопоставить с данными опыта пункта 1.

4. Сделать выводы о мерах, способствующих увеличению напряжения U_п.п (по опытам пунктов 1 - 3 задания).

Отчет по работе должен содержать схемы испытания, эскизы взаимного расположения диэлектрика и электродов, таблицы с результатами замеров и вычислений, графики зависимостей разрядных напряжений от толщины
диэлектрика, выводы по результатам опытов.

Таблица 3.1

 

Эскиз расположения электродов	Величина напряжения появления
	Короны	Скользящего разряда	Поверхностного перекрытия
	U1, В	U2, кВ	U1, В	U2, кВ	U1, В	U2, кВ

 

Контрольные вопросы

 

 

1. При каких условиях поверхностному перекрытию может предшествовать скользящий разряд?

2. Какие вредные последствия влечет за собой возникновение скользящего разряда?

3. Как влияет толщина диэлектрика на величину напряжения поверхностного перекрытия при конфигурации электрического поля по рис. 6,а?

4. Какими мерами можно увеличить напряжение появления скользящего разряда?

Литература: [1], [2], [3].

 

Работа 4