Для понимания роли поверхностных зарядов в явлении коронных разрядов были проведены обширные измерения поверхностных зарядов на изоляторах, подвергающихся испытаниям на коронные разряды. Установлено, что заряды оседают в основном на поверхности в верхней части изолятора. Типичное пространственное распределение остаточного поля, обусловленного поверхностными зарядами, при импульсном напряжении положительной полярности представлено на рис. 5.
Рис. 5. Пространственное распределение остаточного поля перпендикулярно к поверхности, обусловленное поверхностными зарядами, измеряемое на поверхности по окружности произвольного диаметра в верхней части изолятора при коронных разрядах в отсутствие пробоя
Остаточный заряд на поверхности изолятора, после того как его извлекали из бака, в котором проводили испытания, измеряли с помощью емкостного зонда.
Было найдено, что в области, окружающей стержень, оседают в основном отрицательные заряды; положительные заряды распределены главным образом по краю изолятора. Аналогичные наблюдения были получены при импульсах отрицательной полярности, за исключением того, что изменялась полярность зарядов. Известно, что для развития стримера вдоль изоляционной поверхности требуется относительно слабое поле на поверхности (тангенциальное). При импульсном напряжении стримеры развиваются вдоль поверхности в верхней части изолятора и этому способствует тангенциальное поле, создаваемое поверхностными зарядами. На краях изолятора направление поля на поверхности изменяется и тангенциальное поле вдоль цилиндрической поверхности становится очень слабым из-за отсутствия поверхностных зарядов вследствие зарождения коронного разряда и, кроме того, из-за слабого внешнего поля. Сочетание этих двух факторов замедляет развитие стримера за пределы изолятора и чтобы вызвать пробой, необходимо значительно более высокое приложенное напряжение. В результате осевшие под действием стримерных разрядов заряды концентрируются по краю изолятора. Носители зарядов образуются в основном в газе, окружающем стержень, вследствие коронных разрядов. При импульсе положительной полярности электроны движутся по направлению к центру, положительные ионы движутся за пределы изолятора.
Рис. 6. Типичное распределение зарядов на поверхности политетрафторэтиленового изолятора после испытаний на перекрытие при воздействии импульсного напряжения положительной полярности:
1 — импульсное напряжение; 2 — изолятор; 3 — заземленная плоскость
Рис. 7. Зависимость пробивного напряжения от числа перекрытий при давлении SF6 0,1 МПа и при воздействии импульсного напряжения:
1 — изолятор из тефлона; 2 — из перспекса
Некоторые из этих зарядов оседают на поверхности изолятора, что приводит к изменению распределения зарядов, представленному на рис. 5.
Аналогичные измерения зарядов емкостным зондом при положительном коммутационном импульсе были выполнены на эпоксидных изоляторах. До того как подвести зонд к заряженному изолятору, повышали давление, чтобы предотвратить локальные разряды.
Поверхность изолятора сканировали при каждом уровне напряжения после приложения десяти импульсов. Как видно из рис. 6, заряды и их распределение изменяются с возрастанием импульсного напряжения. И в этом случае отрицательный заряд концентрируется вблизи положительного точечного электрода, вне этой области распределение зарядов изменяется. При более высоких напряжениях распределение зарядов становится все более неоднородным и возникают локальные концентрации зарядов обеих полярностей.
Когда изолятор, который заряжается под действием коронных разрядов, внезапно подвергается перекрытию при воздействии импульсного напряжения, происходит перераспределение зарядов, приводящее к высокой концентрации этих зарядов вдоль трека перекрытия. Если поле на поверхности вследствие концентрации зарядов вдоль трека перекрытия достигает критической величины, вдоль этого трека могут происходить следующие одно за другим перекрытия, что ведет к выходу из-под контроля и снижает стойкость к перекрытиям, как показано на рис. 7. В присутствии политетрафторэтиленового изолятора это происходит после значительно большего числа перекрытий, возможно, вследствие его более медленной скорости заряжения.
Калибровка емкостного зонда является сложным процессом, и высокой степени точности достигнуть трудно.
Рис. 8. Вольт-секундные характеристики трех систем электродов точка — плоскость:
1 - в отсутствие изолятора; 2 — в присутствии изолятора в виде полуцилиндра; 3 - в виде цилиндра
Ожидается, что тангенциальное электрическое поле на поверхности изолятора оказывает значительное влияние на движение стримера/лидера вдоль поверхности, и, следовательно, пробой. На рис. 8 приведены некоторые неопубликованные результаты для трех различных систем электродов точка-плоскость с разрядным промежутком 3 см: в отсутствие изолятора, в присутствии политетрафторэтиленового изолятора в виде полуцилиндра и цилиндра диаметром 5 см. Диаметр точечного алюминиевого электрода составлял 1,6 мм. Давление SF6 около 0,1 МПа. При измерении вольт-секундных характеристик использовали генератор высокого напряжения с быстро нарастающим фронтом. Как и ожидалось, наиболее низкая пробивная прочность была в случае полуцилиндрического изолятора.
Чтобы получить точное экспериментальное доказательство влияния поверхностных зарядов на перекрытия, была сделана попытка использовать камеру для высокоскоростной съемки (Imcon НЕ 700), четырехступенчатый усилитель с магнитной фокусировкой (EMI 9694) и поляроидную камеру.
Изолятор предварительно заряжали с помощью постоянного напряжения положительной полярности, прикладываемого к середине изоляционной поверхности с помощью иглообразного электрода. Типичная картина перекрытия по поверхности после предварительного заряжения изолятора приведена на рис. 10.
Рис. 9. Перекрытие по поверхности после предварительного заряжения изолятора:
1 - анод; 2 - направление разряда;
3 - изоляционная поверхность; 4 - электроды
Разряд, по-видимому, инициируется между заряженным центром изолятора и катодом, вслед за чем следует полное перекрытие разрядного промежутка (рис. 9). Это указывает, что поле на поверхности, создаваемое осевшими при действии внешнего источника зарядами, может быть достаточным для инициирования предварительных разрядов в направлении электроду противоположной полярности. Существует ряд экспериментальных доказательств, подтверждающих, что хотя поверхностные заряды могут влиять на время задержки разрядов, они не оказывают значительного влияния на импульсное пробивное напряжение. Поверхностные заряды, однако, могут приводить к снижению характеристик изоляции вследствие вторичных процессов, например из-за притяжения металлических частиц или проводящей пыли, которые оседают на поверхности.
