Электрические разряды по поверхности

Твердого диэлектрика

Цель работы: изучение общих закономерностей электрического разряда вдоль поверхности твердого диэлектрика в однородных и неоднородных полях.

 

Теоретические сведения

Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям. На рис. 2.1 показано размещение диэлектрика в однородном поле. Поверхность раздела диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий электрического поля.

Рис. 2.1

 

На рис. 2.2, 2.3 показано положение диэлектрика в конструкциях с неоднородным полем. В первом случае во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень малых ее участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля преобладает над нормальной составляющей. В другом случае (рис. 2.3) наоборот, нормальная составляющая много больше тангенциальной составляющей напряженности поля.

Рис. 2.2

Рис. 2.3

 

В зависимости от форм электрического поля главное влияние на характер развития разряда и на величину разрядного напряжения оказывают различные факторы.

1. Диэлектрик, помещенный в однородном поле (рис. 2.1), казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако, в действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).

Вместе с тем, имеет значение длительность приложения напряжения. Большее по сравнению с импульсами снижение прочности при постоянном и переменном напряжениях свидетельствует об относительно медленном развитии процесса.

Дело в том, что адсорбированная на поверхности диэлектрика влага содержит диссоциированные ионы. В электрическом поле сравнительно медленно, из-за малой проводимости увлажненного слоя, происходит перераспределение зарядов по поверхности диэлектрика. Поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого величина разрядного напряжения уменьшается. При импульсах (или высокой частоте) электрическое поле в промежутке не успевает существенно снизить искажение и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика, большое влияние на величину разрядного напряжения могут оказать воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за разницы в диэлектрических проницаемостях воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и возникает ионизационный процесс. Продукты ионизации выходят на поверхность диэлектрика, что приводит к значительному (иногда вдвое большему) снижению разрядного напряжения.

В реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле.

2. Расположение диэлектрика на рис. 2.2 характерно для опорных изоляторов. Электрическое поле в этой конструкции неоднородно, поэтому разрядные напряжения ниже, чем в случае, показанном на рис. 2.1.

Гигроскопичные свойства диэлектрика в этом случае мало влияют на величину разрядных напряжений, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную неоднородность поля. Неплотное прилегание диэлектрика к электродам в реальных конструкциях обязательно устраняется с помощью цементирующих замазок или прокладок. Нижний электрод опорного изолятора обычно соединен с заземленными конструкциями, имеющими значительные размеры. Поэтому напряженность поля у шапки изолятора выше и разряд начинается с нее.

3. В конструкции на рис. 2.3, характерной для проходных изоляторов, у короткого электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения.

При увеличении напряжения область коронирования расширяется и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабо светящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. В рассматриваемой конструкции в отличие от других устройств стримерные каналы имеют значительно большую емкость по отношению к противоположному электроду. Вследствие этого через них проходит сравнительно больший ток. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и в них становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы разряда преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность свечения возрастает. Такая форма стримерного разряда, при которой канал имеет высокую температуру, обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом.

Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится далеко вглубь промежутка. Ионизационный процесс захватывает все большую область. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения, и, наконец, процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами.

Чем больше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия. Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала по отношению к противоположному электроду и частотой приложенного напряжения. Очевидно, чем больше емкость и частота, тем ниже должно быть разрядное напряжение, конечно, при постоянстве расстояния между электродами по поверхности диэлектрика. Поэтому, например, увеличение диаметра проходного изолятора увеличивает сухоразрядное напряжение.

Разрядное напряжение U_р по загрязненной и увлажненной поверхности диэлектрика определяется, в основном, сопротивлением загрязняющего слоя, которое определяется удельным объемным сопротивлением слоя (r_n), толщиной слоя ( Д_э), эквивалентным диаметром изолятора () и длиной пути утечки (L):