Рис. 4-4. Разряды с острия в воздухе (а) и скользящие разряды, развивающиеся от острия по поверхности диэлектрика (б).
1 — острие, 2 — металлический электрод, 3 — диэлектрик, 4 — корона, 5 — скользящие разряды.
Если корона представляет явление, в большинстве случаев развивающееся в воздухе (или в масле) в направлении силовых линий электрического поля и независимо от наличия твердого диэлектрика, то скользящие разряды развиваются в непосредственной близости к поверхности твердого диэлектрика, не следуя силовым линиям поля. Это можно иллюстрировать рис. 4-4.
Скользящие разряды представляют собой частичную ионизацию воздуха вдоль поверхности диэлектрика и имеют вид ярко светящихся нитей, часто разветвленных, быстро перемещающихся (скользящих) по этой поверхности. Через них течет лишь незначительный ток, замыкающийся через емкость диэлектрика. Они возникают там, где силовые линии поля пересекают поверхность диэлектрика под углом. Обычно с ними приходится иметь дело в конструкциях типа проходных изоляторов, значительно реже и в меньшей степени — в некоторых типах опорных изоляторов.
Скользящие разряды в большинстве конструкций предваряют возникновение разряда по поверхности изолятора. Раз возникнув, нити скользящих разрядов увеличивают свою длину, которая изменяется приблизительно пропорционально пятой степени амплитуды приложенного напряжения. Поэтому при повышении напряжения они быстро достигают противоположного электрода, что создает короткое замыкание. Таким образом, развитие скользящих разрядов приводит в конце концов к разряду по поверхности изолятора.
Напряжение, при котором появляются скользящие разряды (мы будем называть его напряжением скользящих разрядов Ucli), определяется емкостью единицы поверхности диэлектрика. В случае цилиндрического проходного изолятора эта емкость определяется формулой:
(4-1)
Так как с — величина очень малая, удобнее выражать ее в пикофарадах на квадратный сантиметр. Тогда
(4-2)
Зависимость Uск=f(c) приведена на рис. 4-5. Кривая (прямая) 1 получена Ротом (A. Roth) на основании опытов Теплера, а прямая 2 получена Хютером (F. Hueter) [Л. 4-5]. При малых емкостях эти прямые идут достаточно близко, но при больших значительно расходится. У нас нет данных для того, чтобы решить, которая из них более правильна. Вероятно, мы сделаем не очень большую ошибку, если представим зависимость Uск = f(c) средней прямой, показанной на рис. 4-5 пунктиром. Эту прямую можно выразить эмпирической формулой:
(4-3)
где с выражено в пикофарадах на квадратный сантиметр.
Рис. 4-5. Зависимость напряжения скользящих разрядов от удельной емкости поверхности изолятора.
1 — данные Рота; 2 — данные Лютера.
Подставляя уравнение (4-2) в (4-3), получим:
(4-4)
Напряжение скользящих разрядов не зависит от среды, в которой они развиваются. Поэтому и в воздухе и в масле оно одинаково, если поверхностное сопротивление под маслом велико. Но если в воздухе это явление (которое может наблюдаться, например, при испытательном напряжении) не представляет опасности для изоляторов, то в масле оно очень опасно. Под действием скользящих разрядов разрушается поверхность фарфора — в ней скользящие разряды выгрызают глубокие (до миллиметра и даже более) канавки, а при длительном воздействии могут вызвать растрескивание фарфора вследствие концентрированного теплового эффекта. Другие изолирующие материалы (гетинакс, бакелизированная бумага, пропитанное дерево) также разрушаются скользящими разрядами. Поэтому необходимо рассчитывать напряжение скользящих разрядов на изоляции, работающей под маслом так, чтобы оно было выше действующего на данные элементы изоляции испытательного напряжения. Заметим, что скорость роста длины скользящих разрядов под маслом значительно ниже (примерно на порядок), чем на воздухе. Поэтому разрыв между напряжением скользящих разрядов и разрядным напряжением по поверхности изолятора под маслом значительно больше, чем в воздухе.
При импульсах напряжение скользящих разрядов на воздухе и под маслом в 1,5—2 раза выше, чем при 50 Гц.
При постоянном напряжении скользящие разряды не образуются см. ниже уравнение (4-6), в котором при этом будет
— 0], но при выпрямленном (пульсирующем) напряжении они возникают так же, как при переменном напряжении.
Как следует из уравнения (4-3), для повышения напряжения скользящих разрядов необходимо уменьшать удельную поверхностную емкость с. В случае проходных изоляторов это можно осуществить увеличением толщины фарфора или устройством зазора между сердечником и фарфором, заполненного воздухом или маслом. Можно значительно повысить напряжение скользящих разрядов применением изоляции конденсаторного типа. Напряжение скользящих разрядов уменьшается с уменьшением толщины слоя изоляции приблизительно пропорционально квадратному корню из толщины слоя, но приходящееся на слой приложенное напряжение изменяется обратно пропорционально числу слоев. Поэтому напряжение скользящих разрядов растет приблизительно пропорционально квадратному корню из числа слоев.
Распространение скользящих разрядов существенно ограничивается ребрами изолятора. Действие ребер можно пояснить рисунком 4-6. На вертикальной поверхности изолятора направление движения скользящих разрядов совпадает с направлением тангенциальной составляющей напряженности поля. Здесь они развиваются свободно. Но на нижней поверхности ребра тангенциальная составляющая напряженности поля направлена против направления движения скользящих разрядов и она тормозит их развитие.
Рис. 4-6. Условия распространения скользящих разрядов вдоль ребер изолятора.
→ — вектор напряженности поля; → — направление движения скользящих разрядов,
4-3. Сухоразрядное напряжение изоляторов
Одной из наиболее важных разрядных характеристик изолятора является его разрядное напряжение по поверхности, или сухоразрядное напряжение, если мы рассматриваем изолятор с сухой и чистой поверхностью. Следует отдельно рассмотреть разрядное напряжение по поверхности опорных изоляторов, тяг и тому подобных конструкций, с одной стороны, и разрядное напряжение по поверхности проходных изоляторов и покрышек, с другой стороны.
Решающим параметром, определяющим величину разрядного напряжения по поверхности изолятора (для краткости мы будем дальше опускать слова «по поверхности»), является величина разрядного расстояния, т. е. кратчайшего расстояния по воздуху между электродами изолятора. Некоторое влияние могут оказывать и другие параметры — число, форма и размеры ребер, наибольший диаметр изолятора и прочее, однако их влияние несравненно меньше, чем влияние разрядного расстояния.
Влияние материала изолятора очень мало и им практически можно пренебречь, как видно из рис. 4-7, полученного на цилиндрических образцах.
При больших расстояниях (больше 45 см) разрядное напряжение вдоль гладких цилиндров приближается к пробивному напряжению между иглою и плоскостью.
Разрядное напряжение вдоль гладкого цилиндра можно несколько повысить, применяя электроды с хорошо закругленными краями. Это видно из рис. 4-8. Однако при больших расстояниях между электродами этот способ дает лишь небольшое повышение разрядного напряжения.
Зависимость разрядного напряжения изоляторов от разрядного расстояния приведена на рис. 4-9.
Рис. 4-9. Сухоразрядное напряжение опорных и проходных изоляторов в зависимости от их сухоразрядного расстояния.
1 — нижний предел; 2 — средняя кривая; 3 — сухоразрядное напряжение изоляторов без защитной арматуры.
Рис. 4-10. Сухоразрядное напряжение цельных изоляторов и изоляторов с промежуточными фланцами.
1 — цельный изолятор; 2 — один промежуточный фланец высотой 120 мм; 3 — один промежуточный фланец высотой 350 мм; 4 — два промежуточных фланца высотой по 120 мм
Он хорошо подтверждает сказанное выше о решающей роли разрядного расстояния, во всяком случае до величины его порядка 2,0 м. При дальнейшем увеличении разрядного расстояния существенную роль начинает играть применение защитных экранов, выравнивающих напряжение вдоль колонки изоляторов. Без экранов кривая разрядного напряжения претерпевает излом и растет сравнительно медленно (кривая 3 на рис. 4-9). Экраны дают возможность сохранить прежний темп роста разрядного напряжения вплоть до расстояний 5—6 м (кривые 1 и 2 на рис. 4-9).
Необходимо сделать одну оговорку относительно определения разрядного расстояния в колонковых изоляторах. Широко распространено предложенное Союзом германских электротехников (VDE) правило: учитывать в разрядном расстоянии половину высоты промежуточных металлических частей. Исследование, произведенное инженерами фирмы ВВС Бельди и Улигом (Е. Beldi, Е. Uhlig) [Л. 4-9], показало, что использование формулы СГЭ приводит к заниженным результатам (рис. 4-10). Поэтому авторы считают необходимым определять разрядное расстояние как сумму расстояний по фарфору.
Рис. 4-11. Определение сухоразрядного расстояния для опорно-штыревых и опорно-стержневых изоляторов.
Однако с этим предложением не всегда можно согласиться. Необходимо учитывать форму изоляторов и характер развития разряда на них. Сравним, например, колонки изоляторов по рис. 4-11, а и б. В первом (тип ИШД-35) вылет фарфоровых юбок сравнительно велик, они довольно хорошо экранируют промежуточные металлические части, а потому здесь целесообразно принять формулу СГЭ. Наоборот, в колонке изоляторов типа СО-35 или КО-400 вылет ребер мал, они почти не экранируют фланцы. В этом случае разрядное расстояние следует принимать равным сумме разрядных расстояний по фарфору. Так обстоит дело с разрядным напряжением при промышленной частоте.
При импульсах разряд имеет тенденцию «прилипать» к поверхности изолятора. Особенно ярко выражена эта тенденция при отрицательной полярности импульса. Поэтому при импульсах разрядное расстояние следует определять как сумму разрядных расстояний по фарфору. Зависимость импульсного разрядного напряжения от разрядного расстояния дана на рис. 4-12. При расстояниях свыше 30 см эта зависимость является прямо пропорциональной. Минимальное значение импульсного разрядного напряжения в зависимости от сухоразрядного расстояния можно поэтому выразить формулой
(4-5) (в сантиметрах).
Заметим, что при разрядном расстоянии, большем двух метров, необходимо применение защитных колец, так как иначе импульсное разрядное напряжение будет значительно ниже приведенного на рис. 4-12. Это можно заметить на рис. 4-13, где приведены результаты определения импульсного разрядного напряжения колонок из изоляторов типа КО-400. При числе изоляторов в колонке до пяти положительные импульсы дают меньшее разрядное напряжение, чем отрицательные. При lс≥2 м, наоборот, наименьшее разрядное напряжение получается при отрицательных импульсах. Применение защитных колец немного повышает разрядное напряжение при положительных импульсах и сильно повышает его при отрицательных импульсах.
Разрядное напряжение по поверхности вводов имеет некоторые особенности. Если взять ввод в виде гладкой трубы без ребер, то при увеличении разрядного расстояния разрядное напряжение сначала быстро растет по тому же закону, что и у опорных изоляторов. Но, начиная с некоторой критической длины, кривая претерпевает излом и рост разрядного напряжения сильно замедляется. Это показано на рис. 4-14. Нетрудно догадаться, что напряжение, при котором происходит перелом, должно быть близко (несколько выше) к напряжению скользящих разрядов.
