Разряд по сухой поверхности изолятора. Сухоpазрядное напряжение

Разряды в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика

Любая внешняя изоляционная конструкция имеет участки, в которых твердый диэлектрик граничит с атмосферным воздухом. На этой границе разряд может происходить в самом твердом диэлектрике или в газовом слое.

Поверхностный газовый разряд сохраняет все свойства газового разряда. Разряд по поверхности твердого диэлектрика имеет и свои особенности, связанные с влиянием твердого диэлектрика на протекание разряда. Введение в воздушный промежуток твердого диэлектрика приводит к смещению разрядного напряжения.

 

Разряд по сухой поверхности изолятора. Сухоpазрядное напряжение

Нормы и стандарты на внешнюю изоляцию рассчитаны на сухоразрядное U_ср и мокроразрядное напряжение U_мр по поверхности изоляторов.

На изоляционных конструкциях поверхностный газовый разряд протекает в резко неравномерном поле. Типовая изоляционная конструкция с таким полем приведена на рис. 1.

Рис. 1 Развитие стримера вдоль поверхности изолятора:

Δ S – площадка под головкой стримера; C_o – удельная поверхностная емкость изолятора; 1, 2 – электроды; 3 – стример

 

Вдоль поверхности изолятора, приведенного на рис. 1, на распределение электрического поля оказывает влияние удельная поверхностная емкость изолятора C_o (чем больше C_{o ,} тем более неравномерное поле).
С увеличением неравномерности поля растет продольная составляющая напряженности поля E_t у электрода и облегчается возникновение разряда по поверхности изолятора.

Изоляционная конструкция (рис. 2) состоит из атмосферного воздуха с диэлектрической проницаемостью ε₁ и твердого диэлектрика с ε₂, где ε₂>ε₁. _.
В этой схеме С_о – емкости единицы поверхности изолятора относительно второго электрода, К_о – емкости между соседними единицами поверхности изолятора. Схема замещения образует цепочку емкостей.

Рис. 2. Распределение напряжений по поверхности изолятора:

а – схема замещения в виде цепочки емкостей; б – распределение напряжения вдоль поверхности изоляции

 

Распределение напряжения вдоль цепочки емкостей (вдоль поверхности изолятора) тем круче, чем больше отношение емкостей С_о/К_о. Емкость К_о ≈ const, зависит от длины поверхности и приблизительно равна 2…3 пФ на сантиметр. Емкость С_о растет с увеличением диэлектрической проницаемости ε₂ и со снижением толщины d ().

Таким образом, емкость С_о, называемая поверхностной емкостью образца, определяет степень неравномерности поля вдоль поверхности. Чем больше удельная и поверхностная емкость, тем более неравномерно распределяется напряжение по поверхности диэлектрика.

Поверхностная емкость С_о влияет также на само протекание газового разряда. С конца электрода 1 (рис. 1) вдоль поверхности изолятора развивается стример. Ток стримера вызван действием продольной составляющей напряженности поля Е_t. Указанный ток замыкается током смещения в емкости С_о Δ S.

Чем больше емкость С_о, тем больше ток стримера и проводимости стримера. Рост тока способствует возрастанию потенциала головки стримера и развитию разряда. Возрастание емкости С_о ведет к снижению разрядного напряжения по поверхности диэлектрика.

Влияние С_о на протекание процесса разряда растет при росте частоты тока (wС _оΔ S – растет емкостная проводимость). С ростом частоты приложенного напряжения стример стремится прижаться к поверхности изолятора. Стримеры, развивающиеся вдоль поверхности изолятора, называют скользящим разрядом.

 

5.2. Разряд по увлажненной поверхности изолятора.
Мокроразрядное напряжение

При увлажнении поверхности диэлектрика между электродами протекает ток, вызванный проводимостью пленки влаги.

Величина тока утечки зависит от удельной электропроводности толщины водяной пленки (I = 5…100 мА). В местах наибольшей плотности тока (у электрода с минимальным радиусом) происходит выделение тепловой энергии. Под действием выделяющегося тепла происходит подсушивание поверхности изолятора. Это приводит к резкому возрастанию падения напряжения на подсушенном участке и его перекрытию. При этом опорная точка дуги располагается на краю водяной пленки и перемещается по мере ее высушивания (рис. 3).

Для образовавшейся цепи справедливо уравнение:

E_д(i_ут)l + i_утR = U_o, (1)

где E_д(i_ут) – градиент напряжения на дуге, зависящий от тока утечки;

l – длина дуги (ширина подсушенной зоны);

R – сопротивление неперекрытой водяной пленки (L_ут – l);

L_ут – длина пути утечки.

 

Рис. 3. Образование частичной дуги на увлажненной поверхности изолятора:
а) по увлажненной поверхности изолятора протекает ток утечки; б) высушенная зона (l) перекрыта дугой (4); 1, 2 – электроды; 3 – водяная пленка; 4 – дуга

 

Если di_ут/dl > 0 опорная точка дуги движется к электроду 2 (рис. 3) до перекрытия изоляционного промежутка. Если di_ут/dl < 0, дуга обрывается, а подсушенный участок вновь увлажняется и процесс образования дуги повторяется.

Рассмотренный механизм перекрытия носит тепловой характер и развивается медленно. Данный механизм наблюдается при длительном приложении рабочего напряжения промышленной частоты.

Разрядное напряжение по поверхности изолятора при дожде называют мокрозарядным напряжением U_мр.

Согласно ГОСТу, испытания по определению U_мр производятся при силе дождя 3 мм/мин, при удельном сопротивлении воды ρ_в = 10⁴ Ом·см, измеренном при температуре Т = 20 ºC. Угол падения дождя 45º к горизонту для лучшего смачивания изолятора. Мокроразрядное напряжение тем ниже, чем меньше сопротивление утечки по поверхности изолятора.

Сопротивление R_у определяется по формуле:

R_у = ρ_в l_ут/p·Δ·Д, (2)

где Δ – толщина слоя водяной пленки;

Д – диаметр изолятора;

ρ_в – удельное поверхностное сопротивление водяной пленки;

l_ут – длина пути утечки.

Как следует из формулы (2), на U_мр влияют удельное сопротивление воды ρ_в и интенсивность дождя, от которой зависит толщина водяной пленки Δ.

Мокроразрядное напряжение изоляционных конструкций пропорционально их строительной высоте. Мокроразрядный градиент E_мр = U_мр/l_ст является технической характеристикой изолятора (E_мр ≈ 2,8…4 кВ/см).

 

5.3. Разряд по поверхности изолятора при воздействии коммутационных
импульсов и атмосферных перенапряжений

При воздействии коммутационных импульсов на сухой изолятор формирование перекрытия происходит так же как при воздействии напряжения промышленной частоты. При воздействии на увлажненный изолятор коммутационных волн (t_p =0,5…5 мс) перекрытие происходит через частичную дугу. Опорная точка дуги перемещается к противоположному электроду. При t_p < 0,1 с тепловая энергия на увлажненном изоляторе быстро убывает. Этой энергии недостаточно для высушивания полоски вдоль пути формирования перекрытия. Поэтому при воздействии коммутационного импульса перемещение опорной точки дуги происходит по водяному слою (рис. 4).

Рис. 4. Развитие скользящего разряда по увлажненной поверхности при коммутационном импульсе: 1, 2 – электроды; 3 – водяная пленка; 4 – дуга

 

При этом остается справедливым уравнение (1) и условие распространения скользящего разряда по увлажненной поверхности di_ут/dl > 0. Скорость движения опорной точки по поверхности изолятора составляет 20…25 м/с.

Разрядное напряжение при коммутационных импульсах можно представить в виде:

U_мрк = к_tU_мр,

где к_t – коэффициент импульса ≈ 1 и к_t = 1, если U_мр = U_ср и разряд проходит по воздуху. При длительности коммутационных перенапряжений t = 3…5 мс коэффициент к_t выражается эмпирической формулой:

к_t = 1 + 0,5(U_ср / U_мр –1).

Эта формула справедлива при U_ср ≥ U_мр.

Длительность грозовых импульсов составляет t_p = 2…3 мкс. Грозовые импульсы вызывают высокие скорости изменения напряжения и большие токи смещения. Эти токи замыкаются через поверхностную емкость изолятора. Поэтому поверхностный разряд при грозовом импульсе прижимается к поверхности изолятора тем теснее, чем круче нарастание напряжения (чем меньше время разряда). Путь разряда следует по всем изгибам поверхности изолятора (рис. 5).

Кратковременность грозовых импульсов исключает возможность завершения скользящего разряда из-за тепловых процессов. Поэтому дождь и увлажнение мало влияют на поверхностное разрядное напряжение при грозовых импульсах.

Рис. 5. Возможные пути (1, 2, 3) перекрытия изоляторов гирлянды

 

При испытании под искусственным дождем импульсные разрядные напряжения изоляторов снижаются всего на 5…10 %. Это можно объяснить изменением распределения напряжения по изоляции при ее увлажнении. При высокой частоте, характерной для грозового импульса, емкостная проводимость изолятора превышает активную проводимость водяной пленки. Влияние водяной пленки на распределение напряжения по изолятору оказывается небольшим.

При воздействии полной импульсной волны на гирлянды изоляторов канал перекрытия развивается по пути 3 (рис. 5). Поэтому тип изолятора незначительно влияет на величину импульсного разрядного напряжения. При временах воздействия t_p ≈ 2 мкс и менее канал разряда развивается по путям 1 и 2 (рис. 5). В этом случае тип изолятора оказывает влияние на разрядное напряжение гирлянды.

 

5.4. Влияние конструктивных особенностей изоляторов
на напряжение перекрытия

Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции рис. 6а, силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле, казалось бы, однородно. В конструкции рис. 6б поле неоднородно, тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика E_t преобладает над нормальной составляющей E_n. В конструкции рис. 6в поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая E_n > E_t. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных установках, но удобна при выявлении характеристик диэлектрика на причину возникновения разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

Рис. 6. Характеристика конструкции воздушных промежутков
с твердым диэлектриком

 

В изоляционной конструкции рис. 6а, электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем чисто воздушного промежутка (рис. 7)

Рис. 7. Зависимость разрядного напряжения по поверхности образцов от расстояния между электродами (рис. 6а):

1 – чисто воздушный промежуток; 2 – фарфор; 3 – стекло; 4 – фарфор и стекло при неплотном прилегании электродов к диэлектрику.

 

Это связано с абсорбцией 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 (рис. 8).

мм

Рис. 8. Распределение напряжения вдоль поверхности стекла при напряжении, близком к разрядному (промежуток по рис. 6а)

 

Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.

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

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытие из малогигроскопичных материалов, защищающих 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 прокладки.

В изоляционной конструкции на рис. 6б, поле неоднородно, а следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров качественно такое же, как и в конструкции на рис. 6а, но оно выражено слабее, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном 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 (трека) с повышенной проводимостью. Длина этого следа со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 6в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкции на рис. 6б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположенному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит значительный ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающийся вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля E_n превышает тангенциальную составляющую E_t, 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 стимера. Увеличение напряжения на не перекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположенного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда составляет

, (3)

где c₁ – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость (емкость единицы поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода).

Из формулы (3) при подстановке вместо l_ск расстояния между электродами по поверхности диэлектрика L можно определить значении напряжения U_p, необходимого для перекрытия изолятора. Если же принять С = ee₀/d, где d – толщина диэлектрика и считать значение du/dt постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, то из (3) получим:

. (4)

Из (4) следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому 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.

 

5.5. Влияние атмосферных условий на разрядные напряжения
по поверхности изоляторов

Сухоразрядные напряжения изоляторов зависят от атмосферного давления, температуры и влажности.

Особенностью разряда по поверхности изоляторов является резкое снижение U_ср при возрастании относительной влажности воздуха сверх величины, соответствующей началу конденсации влаги на поверхности изолятора (для стекла 60…70, для фарфора 70…80 %). При развитии разряда под дождем температура воздуха не оказывает влияние на величину разрядного напряжения. Разрядное напряжение зависит от атмосферного давления. Для всех типов изоляторов справедлива формула:

U_мр = U_мрн K_р,

где K_р – поправочный коэффициент;

K_р = 0,5(1 + P /760);

U_мр – мокроразрядное напряжение при давлении Р;

U_мрн – то же при стандартном давлении Р = 760 мм. рт. ст;

На U_мр гирлянд влияют сила дождя и удельная проводимость дождевой воды. Согласно ГОСТу при определении U_мр изоляторов нормируется:

а) сила дождя 3 мм/мин ±20%;

б) удельная проводимость воды γ = 100·10^-6 Ом·см;

Исследования ливневых дождей, проведенных ВНИИЭ, показали следующее распределение интенсивности дождей (в течении одного года):

3 мм/мин и более – 0,5…1 мин; 2 мм/мин и более – 3…5 мин;

1 мм/мин и более – 20…50 мин; 0,1 мм/мин и более – 2000…4000 мин.

Из приведенных данных видно, что нормируемая интенсивность 3 мм/мин – редкое событие.

Нормируемая ГОСТом удельная проводимость дождевой воды
γ = 100·10^-6 Ом·см также превышает наблюдаемые значения. По данным измерений среднее значение проводимости γ = (30…40)·10^-6 Ом·см.

С уменьшением силы дождя и повышением проводимости U_мр изоляторов повышается. Это повышение для эксплуатационных условий учитывается коэффициентом К_γ = 1,1.