УДК 621.315.62.015.51-982
Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с. 136-148.
Приведены результаты измерения разрядных напряжений по поверхности изоляторов из органических и неорганических диэлектриков при разном исполнении торцовых и боковой поверхностей изоляторе при паромасляном и безмасляном способах получения вакуума при разных режимах тренировки. Определены соотношения разрядных напряжений при резном определении понятия "напряжение разряда" и их связь с условиями эксперимента. Показано, что розница разрядных напряжений изоляторов, отличающихся только материалом, обусловлена зависимостью разрядного напряжения от свойств вещества изолятора.
Библиогр.: 5.
Л. А. Рыльская
РАЗРЯДНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗОЛЯТОРОВ ИЗ РАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ВАКУУМЕ
Твердая изоляция является обязательным элементом электровакуумных приборов, в том числе и вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Для обеспечения надежности их работы необходимо знать напряжения пробоя по поверхности (ППН) изоляторов в вакууме. Анализ ранее выполненных экспериментальных исследований показывает, что данные о ППН изоляторов из одинаковых диэлектриков сильно различаются [1—5] . Это делает практически невозможным использование опубликованных результатов при проектировании изоляции электровакуумных приборов. Причинами такого расхождения , по-видимому, являются, с одной стороны, неидентичность вакуумно-технологических условий при подготовке образцов изоляторов перед испытаниями, а с другой — различия в выборе критериев напряжения пробоя.
Цель настоящей работы — выяснение соотношений ППН для изоляторов из разных материалов при использовании различных критериев разрядного напряжения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Разрядные напряжения вдоль поверхности изоляторов исследовались на цилиндрических образцах диаметром 15 мм и высотой 2,5; 5,7 и 16 мм, выполненных из фарфора, стеатита, ситалла, керамики 22ХС, а также из полиэтилена, фторопласта и плексигласа. Выбор материалов изоляторов обусловлен либо их использованием в конструкциях электровакуумных приборов, либо особенностями электрофизических свойств, таких, как относительная диэлектрическая проницаемость, удельное объемное сопротивление. Исследования выполнены в вакуумной камере объемом 100 л., где образец зажимался между электродами Роговского из нержавеющей стали диаметром 120 мм с силой 200 Н. Камера имела манипулятор для смены образцов без ее разгерметизации. Большая часть измерений выполнена с промасленной откачкой при давлении около 10-3 Па, контрольные опыты сделаны в камере с откачкой электроразрядным насосом ЭРА-100 при давлении около 10-5 Па.
Авторы предшествующих исследований при измерении ППН изоляторов использовали различные критерии напряжения пробоя. Для сопоставления результатов необходимо знать, хотя бы качественно, соотношения между значениями ППН, полученными при разных критериях. Поэтому в данной работе измерения ППН всех изоляторов выполнены при использовании нескольких критериев одновременно: U — напряжение перекрытия образца при первом после монтажа системы электродов приложении напряжения; Uмин, Uср, Uмах - напряжения, при которых вероятности перекрытия оттренированных образцов составляют соответственно 0,05; 0,5 и 0,95; вероятности рассчитывались по результатам испытаний 3—10 образцов, причем каждый из них испытывался не менее 20 раз; U0, U5, U60 - напряжения, при которых частота перекрытий оттренированных образцов лежит соответственно в пределах 0,3—0,5; 1 —5 и 40—60 мин -1.
Величины Uн, Uмин, Uср, Uмах - определялись при плавном (со скоростью 3—5 кВ/с) подъеме напряжения; величины U0, U5, U60 — при ступенчатом (по 2—5 кВ) подъеме напряжения с выдержкой в течение 1 мин на каждой ступени. Типичные графики подъема напряжения при измерении всех указанных величин приведены на рис. 1. Измерения проведены на постоянном напряжении, токоограничивающее сопротивление 105 Ом, собственная емкость системы электродов
10-10 Ф.
До проведения измерений производилась тренировка образцов. Напряжение плавно повышалось до появления разрядов при некотором напряжении UH и на этом уровне сохранялось до прекращения разрядов. Затем повышение напряжения продолжали опять до появления разрядов и сохраняли достигнутый уровень напряжения до их прекращения. И так до тех пор, пока частота разрядов со временем не переставала уменьшаться. После этого напряжение снимали и делали дополнительную тренировку последовательными разрядами. При этом напряжение после каждого его подъема до разряда снималось. Эта операция продолжалась до прекращения систематического повышения разрядных напряжений. Только такая комплексная тренировка позволила обеспечить воспроизводимость результатов измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Разрядные напряжения по поверхности изоляторов диаметром 15 мм, высотой 2,5 мм при паромасляной и безмасляной откачке (табл. 1). Образцы из фарфора были с глазурованной боковой и металлизированными торцовыми поверхностями, из стеатита — с металлизированными, а из 22ХС — неметаллизированными торцовыми поверхностями.
Из таблицы видно, что ППН при безмасляной откачке в 1,5—2 раза выше, чем при паромасляной вне зависимости от выбранного критерия, вида диэлектрика, от покрытия боковой и металлизации торцовых поверхностей изолятора и от дефектности образца. Следовательно, при сопоставлении результатов разных авторов, отличающихся только способом получения вакуума, нужно вводить 1,5-2- кратньм поправочный коэффициент.
Таблица 1
1 Первый образец имел дефект на торцовой поверхности.
Примечание. В числителе — паромасляная откачка, в знаменателе — безмасляная.
Разрядные напряжения при изменении качества поверхности изолятора. При сопоставлении результатов исследований, проведенных различными авторами, всегда существует неопределенность в оценке действительного состояния поверхностей изолятора (класс обработки, загрязнение поверхности, примеси в материале, качество контакта с электродом и т. д.). Для оценки возможных колебаний разрядных напряжений за счет указанной неопределенности сделаны сравнительные испытания изоляторов с некоторой исходной поверхностью и таких же изоляторов, но с глазурованной боковой и металлизированными торцовыми поверхностями. На наш взгляд, такие различия в качестве поверхности должны перекрывать неопределенность условий, о которых говорилось выше.
Результаты измерений на изоляторах из фарфора диаметром 15 мм (откачка паромасляная) приведены в табл. 2, а из стеатита и фарфора — в табл. 3. Из табл. 2 следует, что при оценке по любому из критериев, кроме Uн, глазурование дает снижение разрядного напряжения до 20% (для Uн до 45%) в сравнении с неглазурованной поверхностью вне зависимости от металлизации торцовых поверхностей.
Таблица 2
Примечание. В числителе — глазурованная боковая поверхность, в знаменателе — неглазурованная.
Таблица 3
Примечание. В числителе — неметаллизированные торцовые поверхности, в знаменателе — металлизированные.
Это снижение напряжения нельзя считать существенным для объяснения расхождения опытных данных в разных работах.
Для оценки влияния металлизации на ППН измерения выполнены на изоляторах из стеатита и фарфора, имеющих близкие значения Σ. Образцы из них были с существенно разным исходным качеством обработки торцовых поверхностей: на торцах образцов из фарфора были сколы и скосы, а образцы из стеатита имели ровные гладкошлифованные торцы. Результаты измерения, приведенные в табл. 3, для удобства сопоставления даны в пересчете на средние по длине изоляторов напряженности Σ , индексы у которых отвечают соответствующим U. Из таблицы видно, что отличие в обработке торцовых поверхностей изоляторов сказывается на соотношении значений ППН, полученных при разных критериях. У изоляторов с лучшим качеством контакта с электродами (у стеатита за счет исходной обработки торцов, у фарфора за счет металлизации) изоляторов с плохим качеством контакта с электродами (фарфор со сколами и скосами без металлизации) Еср>Е0, Емах>Е60.
Степень влияния металлизации торцов на разрядное напряжение неоднозначна и зависит от высоты изолятора, качества исходной обработки торцовой поверхности и от критерия, по которому определяется разрядное напряжение. Для изоляторов высотой 2,5—2,7 мм из стеатита и фарфора металлизация привела в основном к снижению ППН на 10—15%; на фарфоровых изоляторах высотой 16 мм наблюдалось, наоборот, 1,5—3-кратное увеличение ППН (в зависимости от критерия). Следовательно, условия контактирования изолятора с электродами могут явиться источником несопоставимости результатов. Заметим, что при некачественной торцовой поверхности металлизацию можно рекомендовать как средство для повышения электрической прочности изолятора.
Рис. 1. Равномерный (1) и ступенчатый (2) способы подачи постоянного напряжения на образец при измерении разрядных напряжений
Индексы а, б обозначают два типа соотношений измеренных величин у разных изоляторов
И в то же время ППН образцов с высоким исходным качеством обработки торцов (стеатит) изменяются после их металлизации сравнительно мало (не более чем на 30%), т. е. только значительные различия в качестве обработки торцов могут дать существенное расхождение опытных данных.
Зависимость разрядного напряжения от методики тренировки образцов. Источником несопоставимости результатов может явиться различная степень оттренированности образцов напряжением к моменту измерений. Наиболее распространенными являются два способа тренировки — плавными непрерывными подъемами напряжения до пробоя, многократно повторяющимися вплоть до достижения относительно неизменного среднего уровня разрядных напряжений, или ступенчатым подъемом напряжения до уровня непрерывных разрядов (рис. 1). В среднем при ступенчатом подъеме образец находится под напряжением большее время, чем при плавном. Поэтому следует ожидать при ступенчатом способе тренировки более высоких разрядных напряжений.
Рис. 2. Влияние способе тренировки изоляторов (сплошные цилиндры диаметром
15 мм) на разрядное напряжение;
1, 2- неметаллизированный стеатит; 3,4 — глазурованный неметаллизированный фарфор; 5, 6 — керамика 22ХС; х — комплексная тренировка; о - тренировка только последовательными пробоями
В работе определялось Uср, которое вначале измерялось после тренировки вдоль смонтированного образца многократными плавными подъемами напряжения, а затем тот же образец дополнительно подвергался принятой в настоящей работе комплексной тренировке, после которой вновь измерялось . Комплексная тренировка, которая использовалась для обеспечения воспроизводимости результатов, совмещала оба способа тренировки напряжением. Результаты этих измерений (рис. 2) в целом подтверждают сделанное выше предположение. Видно, что для керамических изоляторов после комплексной тренировки величина Uср выше, чем после тренировки только многократными пробоями при плавном подъеме напряжения. Причем разница Ucp увеличивается с ростом высоты изолятора. Это можно объяснить тем, что для удаления загрязнений с большей поверхности высокого изолятора времени пребывания образца под напряжением при плавном подъеме недостаточно. Так как степень влияния на величину ППН разницы в методах тренировки зависит от размеров изолятора и может достигать 50%, следует признать, что этот фактор относится к тем, которые вызывают появление несопоставимых результатов.
