Основні теоретичні відомості. Усі конструкції ізоляторів можна звести до трьох характерних моделей, які зображені на рис

Усі конструкції ізоляторів можна звести до трьох характерних моделей, які зображені на рис. 7.1.

а) б) в)

Рис.7.1 - Характерні моделі конструкцій ізоляторів з твердим діелектриком: 1 - електроди; 2- діелектрик.

 

На рис.7.1, а показано розміщення діелектрика в однорідному електричному полі. Поверхня розподілу діелектрика і повітря розташована вздовж силових ліній електричного поля.

На рис. 7.1, б, в показано розташування діелектрика в ізоляторах з неоднорідним полем. На рис. 7.1,б тангенційна складова напруженості поля Е_т набагато менша за нормальну складову, а у випадку 7.1, в - навпаки.

У діелектрику, який знаходиться в однорідному електричному полі, розряд відбувається завжди по його поверхні, завдяки волозі, адсорбованій з оточуючого повітря. Певну роль у розвитку поверхневого або ковзного розряду мають забруднення поверхні діелектрики, а також мікрозазори між діелектриком і електродом. Під впливом сильного електричного поля молекули води розпадаються (дисоціюють) на позитивні і негативні іони, що переміщуються до відповідних електродів. У результаті напруженість поля поблизу електродів зростає, а в середині проміжку послаблюється, що приводить до зменшення величини розрядної напруги. У гігроскопічних діелектриків (скло, бакеліт) це зниження більше ніж у малогігроскопічних (порцеляна). Зменшення розрядної напруги при наявності мікрозазорів або мікротріщин пов'язано з різницею діелектричної проникності ε_о повітря і твердого діелектрика ε, внаслідок чого в них збільшується напруженість електричного поля та інтенсифікуються іонізаційні процеси. У результаті електрони і іони потрапляють до міжелектродного проміжку, де створюють локальне підвищення напруженості поля, що призводить до зменшення електричної міцності цього проміжку.

У реальних ізоляторах твердий діелектрик майже завжди знаходиться у неоднорідному електричному полі, тому варіант конструкції, зображений на

рис.7.1, а, на практиці не зустрічається.

У конструкціях на рис. 7.1, б, в поле неоднорідне, тому при достатній напрузі в них виникає коронний розряд, що має вигляд смуги неяскравого світіння. При подальшому збільшенні напруги ділянка коронування розширюється і з'являються багаточисельні канали світіння, що мають назву стримерних розрядів. Канали стримерів в ізоляційних конструкціях зі значною нормальною складовою напруженості електричного поля мають набагато більшу ємність відносно внутрішньою електрода (рис. 7. 1, в), ніж у конструкціях з переважно тангенційною складовою поля. Внаслідок цього через них проходить досить значний струм, достатній для термічної іонізації каналу розряду. У результаті опір каналу різко зменшується, інтенсивність світіння зростає і виникають так звані ковзні розряди. Оскільки провідність каналу ковзного розряду значно більша провідності каналу стримера, падіння напруги на ньому незначне, тому вся напруга прикладена до неперекритої частини діелектрика. У результаті довжина ковзного розряду збільшується і процес закінчується повним перекриттям ізолятора. Очевидно, чим більша поверхнева ємність ізолятора, тим нижча розрядна напруга при постійній довжині ковзного розряду L_к.

Конструкція ізолятора на рис. 7.1, б характерна для опорних ізоляторів, а на рис. 7.1, в - для прохідних. У даному випадку гігроскопічність поверхні діелектрика мало впливає на величину розрядної напруги, оскільки основна роль в її зниженні належить неоднорідному електричному полю.

Таким чином, величина напруги поверхневого розряду на частоті 50 Гц
визначається довжиною ковзного розряду L_к, станом поверхні діелектрика та його
властивостями, конфігурацією електричного поля, температурою, тиском та
вологістю повітря. Для приблизних розрахунків напруженостей поверхневого
розряду при нормальних умовах можна використовувати такі емпіричні співвідношення:

- напруга початку розвитку ковзних розрядів при наявності нормальної складової електричного поля (формула Ротта);

кВ, (7.1)

де С_п -питома поверхнева ємність (ємність одиниці поверхні), на якій розвивається розряд по відношенню до протилежного електрода, Ф/см²;

-для плоского діелектрика величина питомої поверхневої ємності:

Ф/см², (7.2)

-для полого циліндричного діелектрика:

Ф/см², (7.3)

де ε₀ =8,86*10^-14 Ф/см – діелектрична постійна; ε_r – відносна діелектрична проникність (ε_r=5,7 для скла і кераміки, ε_r=5,3 – для склопластика і бакеліта);

Δ, D, d – розміри ізолятора на рис. 7.2.

Залежність розрядної напруги U_р від довжини ковзних розрядів для випадку на рис. 7.1, б має вигляд

U_р= U_к+12,8 L_к, кВ, (7.4)

-для плоского діелектрика:

, кВ, (7.5)

-для циліндричного діелектрика:

, кВ, (7.6)

де L та N - параметри, що визначаються з формул

L = Δ/ε_r; , (7.7)

 

а, в - показники ступені, що визначаються експериментально.

У лабораторній роботі досліджуються плоский та циліндричний діелектрик (рис. 7.2).