Электрическая изоляция ВЧ установок ВН - Разрядные напряжения изоляторов

Глава пятая
РАЗРЯДНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ

5-1. Общая характеристика изоляторов

Изоляторы состоят из диэлектрика, металлической арматуры, служащей для их механического крепления, и материала, связывающего арматуру с диэлектриком. Диэлектрические материалы, составляющие основу изолятора, должны обладать хорошими электрическими характеристиками, достаточной механической прочностью и тепловой устойчивостью, а также хорошо противостоять неблагоприятным атмосферным воздействиям.
Нарушение электрической прочности изолятора может произойти путем пробоя твердого диэлектрика или в результате разряда в воздухе по поверхности диэлектрика (перекрытия изолятора). В первом случае изолятор полностью выходит из строя, во втором —  изолятор может повредиться только из-за теплового воздействия дуги. Если после перекрытия напряжение с изолятора будет быстро снято, то он в большинстве случаев остается неповрежденным. Поэтому все изоляторы конструируются так, чтобы их пробивное напряжение было выше напряжения перекрытия по поверхности (примерно в 1,5 раза).
Таким образом, электрическая прочность изоляторов характеризуется их напряжениями перекрытия или разрядными напряжениями, определенными в наихудших условиях. Например, для изоляторов наружной установки — под дождем (перекрытие загрязненных изоляторов не рассматривается).
Помимо разрядного напряжения во многих случаях существенным при определении рабочего напряжения изолятора является напряжение, при котором начинается коронный разряд на арматуре изолятора или на его поверхности. В результате теплового воздействия коронного разряда, особенно значительного при более высоких частотах, может произойти ускоренное разрушение изолятора.

Рис. 5-1. Характерные конструкции изоляторов

Разрядные напряжения изолятора и напряжения возникновения короны зависят как от свойств диэлектрика и частоты приложенного напряжения, так и от формы электрического поля изолятора. Многообразие изоляционных конструкций может быть сведено к трем характерным случаям. На рис. 5-1,а показан изолятор, помещенный в однородное поле. Поверхность раздела твердого диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий электрического поля. На рис. 5-1,б,в показаны изоляторы с неоднородным полем. В первом случае (рис. 5-1,б) по всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень малых участков ее вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля Еt преобладает над нормальной составляющей Еn. Такая форма электрического поля характерна для большинства изоляторов. В другом случае (рис. 5-1,в), наоборот, нормальная составляющая больше тангенциальной напряженности поля. Эта форма электрического поля характерна для проходных изоляторов (вводов).
Рассмотрим разрядные напряжения изоляционных конструкций в соответствии с классификацией согласно рис. 5-1 первоначально в сухих условиях, а затем и под дождем, использовав, в частности, экспериментальные зависимости, приведенные в [1].

5-2. Разрядные напряжения изоляторов в сухих условиях

Изолятор в однородном электрическом поле не часто встречается в реальных условиях, однако такую конструкцию (рис. 5-1,а) наиболее удобно использовать для исследования основных свойств разряда по поверхности диэлектрика.
Диэлектрик, помещенный в однородное поле, казалось бы, не нарушает постоянства напряженности в нем, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка. В действительности разряд происходит в большинстве случаев по поверхности диэлектрика и при напряжении меньшем, чем в воздушном промежутке.

Большое влияние на разрядное напряжение оказывает плотность прилегания электродов к диэлектрику. При неплотном контакте между ними образуются воздушные прослойки, в которых из-за разницы диэлектрических проницаемостей воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и на изоляторе при довольно низком напряжении возникает ионизационный процесс. Продукты ионизации выходят на поверхность диэлектрика, что приводит к значительному снижению разрядного напряжения (рис. 5-2). На рис. 5-2 и далее в гл. 5 указаны амплитудные значения напряжения. Влияние плохого контакта между изолятором и электродами столь велико, что разрядные напряжения в этом случае не зависят от частоты (по крайней мере при частотах до 100 кГц).
Неплотное прилегание диэлектрика к электродам устраняется с помощью цементирующих замазок, сплавов или мягких прокладок. Влияние плохого контакта может быть также устранено посредством металлизации поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.
Результаты опытов с материалами, имеющими различную поверхностную гигроскопичность, указывают на то, что разрядные напряжения зависят от относительной влажности воздуха и значительную роль в их снижении играет адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большой гигроскопичностью (бакелизированная бумага, стекло, турбонит) дают большее снижение разрядных напряжений по сравнению с чисто воздушным промежутком, чем мало гигроскопичные материалы (парафин, фарфор). На рис. 5-3,а приведены разрядные напряжения при частоте 50 Гц для некоторых материалов, помещенных в однородное поле.
Адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит диссоциированные ионы. В сильном электрическом поле происходит перемещение зарядов на поверхности диэлектрика и накопление их  у электродов.

Рис. 5-3. Разрядные напряжения цилиндрических изоляторов диаметром 50 мм в однородном поле при частоте 50 Гц (а) и 100 кГц (б):
1 — парафин; 2 — фарфор; 3 — стекло; 4 — турбонит, 5 — стекло, турбонит, фарфор при плохом контакте с электродами; 6 — воздушный промежуток

Накопленный заряд нарушает однородность поля, что и приводит к снижению разрядного напряжения.
Процесс перезарядки поверхности диэлектрика при переменном напряжении происходит медленно, однако при частоте 50 Гц, как показывает опыт, он успевает развиться. При высоких частотах перезарядка поверхности затруднена, поэтому, например, при частоте 100 кГц (рис. 5-3,б) разрядные напряжения для различных материалов оказываются значительно ближе к пробивному напряжению воздушного промежутка, чем при частоте 50 Гц. При одинаковом качестве контакта между диэлектриком и электродами увеличение частоты до десятков килогерц может приводить даже к некоторому росту разрядных напряжений (рис. 5-4).
Конструкция, показанная на рис. 5-1,б, характерна для большинства опорных и подвесных изоляторов. Электрическое поле таких изоляторов резконеоднородно, поэтому их разрядные напряжения оказываются меньше, чем в однородном поле. Помимо неоднородности поля, на разрядные напряжения влияют те же факторы, что и в однородном поле: плотность контактов между диэлектриком и электродами, а также гигроскопические свойства диэлектрика.
Зависимости разрядных напряжений от расстояния между электродами для сухих стержневых изоляторов, представленные на рис. 5-5, иллюстрируют влияние плотности контактов между диэлектриком и электродами. Разрядные напряжения, как и в других случаях, определялись при плавном подъеме напряжения. При измерениях напряжений перекрытия по сухой поверхности изоляторов разброс измеряемых значений находился в пределах 10%, поэтому разрядные напряжения определялись как средние из 25 измерений.

Рис. 5-5. Разрядные напряжения стержневых изоляторов в диапазоне частот 10—70 кГц
1 — неплотный контакт между электродами и диэлектриком: о — гладкий изолятор из стеатита; х — стеклянный изолятор с ребрами; 2 — хороший контакт между электродами и диэлектриком

Кривая 1 получена по измерениям, сделанным на гладком стеатитовом и ребристом стеклянном изоляторах примерно одного и того же диаметра (около 40 мм). Электродами служили бандажи из намотанного на тело изолятора медного тросика. Такой контакт электродов с диэлектриком должен быть отнесен к разряду неплотных. Кривая 2 построена по результатам измерений, проведенных на изоляторах типа АС. У этих изоляторов контакт стеатита с электродами осуществлен с помощью металлического сплава.
Из зависимостей рис. 5-5 следует (кривая Г), что при плохом контакте с электродами материал изоляторов и ребристость их поверхности, как и в случае однородного поля (рис. 5-2), не оказывают заметного влияния на разрядные напряжения. Существенно повышает разрядные напряжения устранение неплотностей между изоляционным материалом и электродами (кривая 2). При увеличении расстояния между электродами усиливается неоднородность электрического поля изолятора, а рост разрядных напряжений замедляется, т. е. средние разрядные напряженности поля уменьшаются.
Достаточно подробно были исследованы разрядные характеристики антенных стержневых армированных изоляторов типа АС длиной от 200 до 600 мм в сухих условиях. Исследовались серийные изоляторы, тип и размеры которых приведены в табл. 5-1. Внешний вид изолятора типа АС представлен на рис. 5-6. 

Рис. 5-6. Конструкция изолятора типа AC. 1 — арматура; 2 —  тороидальный выступ; 3 — стеатитовый стержень; 4 — армирующий сплав

Таблица 5-1
Основные размеры изоляторов

Разрядные напряжения изоляторов АС измерялись при следующих значениях частоты: 10—20, 100—150 и 1100—1500 кГц. Изоляторы длиной 200 и 300 мм исследовались и при частоте 50 Гц.
Остановимся на некоторых особенностях измерений, характерных для исследования электрической прочности изоляторов.
Было определено расстояние от «земли», при превышении которого электрические характеристики изоляторов не зависят от высоты расположения. Это расстояние составило 2 м. Так, например, для изолятора АС-2500-300 изменение расстояния до земли от 0 до 1,5—2,0 м привело к увеличению разрядного напряжения с 78 до 87 кВ при вертикальном токоподводе и частоте 150 кГц.
Были рассмотрены различные варианты подвода напряжения к изоляторам: вертикальный, Г-образный и Г-образный (рис. 5-7). Экранирующее влияние шин токоподвода довольно существенно. Так, например, для изоляторов АС-2500-300 при расстоянии до «земли» около 2 м были получены следующие разрядные напряжения при частоте 150 кГц: при вертикальном токоподводе — 87 кВ, при Г-образном — 97 кВ; при Г-образном — 108 кВ.
Отсюда можно сделать вывод о том, что при определении разрядных напряжений изоляторов, для которых известно расположение в изоляционной конструкции, измерения должны производиться в условиях, максимально приближенных к реальным.

Рис. 5-7. Вертикальный (а), Г-образный (б) и Т-образный (в) варианты токоподвода

Разрядные напряжения изоляторов в сухих условиях измерялись при плавном подъеме напряжения. При этом определялись напряжение возникновения коронного разряда на арматуре и напряжение полного перекрытия изоляторов, т.е. разрядное напряжение Up. Разрядные напряжения приводились к нормальным атмосферным условиям. Учитывая статистический характер измеряемых величин, проводилось по 10—20 измерений для каждого изолятора. При обработке опытных данных вычислялись средние значения разрядных напряжений, кВ, и стандарты распределения, % (среднеквадратичные отклонения по отношению к средним разрядным напряжениям).            -
Измерения разрядных напряжений для всех изоляторов проводились при Г-образном токоподводе, а для изоляторов длиной 200 и 300 мм также и при вертикальном токоподводе. Результаты измерений приведены в табл. 5-2 и на рис. 5-8 и 5-9.

Таблица 5-2
Амплитудные значения средних разрядных напряжений сухих изоляторов при Т-образном токоподводе, кВ (числитель) и стандарт распределения, % (знаменатель)

При Г-образном токоподводе из-за его экранирующего влияния перекрытие изоляторов происходило без возникновения короны и при более высоком напряжении, чем при вертикальном токоподводе. 

Рис. 5-8. Разрядные напряжения изоляторов АС в зависимости от их длины в сухих условиях и под дождем при Т-образном токоподводе

Рис. 5-9. Разрядные напряжения изоляторов АС длиной 200 и 300 мм в зависимости от частоты в сухих условиях (1 и 2) и под дождем (3 и 4) при вертикальном токоподводе.
1 и 3 — изолятор АС-300; 2 и 4 — изолятор АС-200

При вертикальном токоподводе на частотах 50 Гц и 15 кГц перекрытию изоляторов предшествовал коронный разряд в лавинной (50 Гц) и стримерной (15 кГц) форме, а при частотах 150 и 1500 кГц перекрытие происходило при напряжении возникновения кистевой короны на арматуре изоляторов. Кисть короны имела такие размеры, что, возникнув, перекрывала весь изолятор. Вероятно, по этой же причине разрядные напряжения изоляторов длиной 200 и 300 мм при частотах 150 и 1500 кГц мало отличаются друг от друга (рис. 5-9).
Отметим, что перекрытие изоляторов в сухих условиях определяется главным образом конфигурацией электрического поля и длиной воздушного промежутка, образованного арматурой изолятора. Это подтверждается следующим экспериментом. Были изготовлены электроды, аналогичные арматуре изолятора АС-2500-200, для которых было измерено разрядное напряжение при частоте 15 кГц. Эго напряжение практически совпало с разрядным напряжением изолятора АС-2500-200 при той же частоте.
Как уже отмечалось, предшествующий перекрытию изоляторов коронный разряд оказывает существенное влияние на их разрядные напряжения.

Рис. 5-10. Напряжения перекрытия по поверхности фарфора при частотах 50 Гц и 350 кГц
1 — закругленные электроды; 2 —  острые электроды

Рис. 5-11. Напряжения перекрытия по поверхности стеатита при частотах 50 ГЦ и 150 кГц и при разных формах одного из электродов
В зависимости от кривизны электродов и частоты напряжения возникает лавинная, стримерная или кистевая форма коронного разряда. Возникновение и развитие стримерной и кистевой короны при высоких частотах существенно снижает разрядные напряжения изоляторов. Иллюстрацией этому могут служить приведенные на рис. 5-10 и 5-11 зависимости разрядных напряжений от длины изоляторов при разной форме электродов и различных частотах. При электродах с острой кромкой по сравнению с закругленными электродами при частоте 50 Гц происходит относительно небольшое снижение разрядного напряжения (лавинная форма коронного разряда), а при высоких частотах из-за образования стримерной короны разрядные напряжения снижаются гораздо больше. Измерения разрядных напряжений при разряде по поверхности эпоксидного компаунда в сухих условиях между параллельными цилиндрическими электродами при частотах 400 Гц и 12 кГц показали, что при расстояниях между осями электродов 30 мм и менее начальные напряжения Uн совпадают с разрядными. 

Зависимость Uн от диаметров электродов при неизменном расстоянии между их осями имеет максимум (рис. 5-12). Это связано с тем, что при увеличении диаметров электродов одновременно происходит выравнивание электрического поля промежутка и уменьшение его длины. При этом на нарастающей части зависимости преобладающее влияние оказывает уменьшение неоднородности электрического поля. Снижение Uн после максимума связано с уменьшением длины разрядного промежутка. Следует отметить, что зависимость Uн от частоты слабая.
При изменении давления воздуха от 200 до 760 мм. рт. ст. и температуры от 20 до 100 С (рис. 5-12 и 5-13) зависимость Uн от относительной плотности воздуха δ в среднем описывается выражением:

Конструкции, изображенной на рис. 5-1,в, прежде всего соответствуют проходные изоляторы. Электрическое поле здесь неоднородно, в напряженности преобладает нормальная к поверхности диэлектрика составляющая.
Разряд в таком промежутке по мере увеличения приложенного напряжения имеет три характерные стадии: коронного разряда, скользящего разряда и перекрытия по поверхности. Началу каждой из этих стадий соответствует определенное значение напряжения: Uн — начальное напряжение, т.е. напряжение возникновения коронного разряда; Uск — напряжение появления скользящих разрядов на поверхности диэлектрика; Up — разрядное напряжение, т.е. напряжение перекрытия по поверхности диэлектрика.

Разрядные напряжения макета проходного изолятора из фарфора [1] приведены на рис. 5-17.

Исследования при частоте 50 Гц [4, 78] показали, что напряжения Uн, Uск, Up конструкций с преобладающей нормальной составляющей напряженности электрического поля зависят от удельной поверхностной емкости Суд (емкость единицы поверхности изолятора, по которой  развивается разряд, по отношению к противоположному электроду). Рассмотрим более подробно зависимость начального напряжения от Суд. Так, для электрода с острой кромкой при начальное напряжение

Зависимости, приведенные на рис. 5-16, показывают, что закругление наружного электрода заметно повышает начальные напряжения, причем это увеличение тем значительнее, чем больше радиус закругления r, так как это приводит к ослаблению электрического поля у коронирующего электрода. С другой стороны, измерения показали, что начальные напряжения не зависят от частоты (в диапазоне частот до 12 кГц) и длины разрядного промежутка. Существенное влияние на значения Uн оказывает плотность воздуха δ. На основании данных измерений влияние r и δ может быть учтено дополнительными сомножителями в выражении (5-2):
(5-4) где r в мм.
Расчетные кривые по выражению (5-4) хорошо согласуются с данными измерений (рис. 5-16).
Своеобразными разрядными промежутками с большой нормальной составляющей напряженности являются промежутки с плоскими электродами, утопленными в диэлектрик. На рис. 5-18 показан промежуток с одним утопленным электродом, на рис. 5-19 — двумя. Разряд в этих промежутках возникает при начальном напряжении Uн в виде свечения. В промежутке рис 5-18 он возникает около пластины на поверхности диэлектрика, в промежутке рис. 5-19 —  над пластинами на поверхности диэлектрика над торцами электродов. Такой разряд можно назвать «безэлектродный».
При дальнейшем подъеме напряжения свечение усиливается и постепенно переходит в скользящие разряды, с опорными точками на электроде и на линии над торцом утопленного электрода в одном случае, и на линиях над торцами утопленных электродов — в другом. При повышенных частотах (порядка 10 кГц) возможно прогорание диэлектрика в местах расположения опорных точек разрядов.
В конструкциях, для которых на рис. 5-18 и 5-19 приведены зависимости начального напряжения от толщины диэлектрика Д, длины промежутка по поверхности диэлектрика L и плотности воздуха δ, в качестве диэлектрика использовался эпоксидный компаунд. Толщина пластин-электродов составляла 2 мм с радиусом скругления торцов 1 мм. Начальные напряжения не зависят от частоты в диапазоне от 50 Гц до 12 кГц.

где UН,δ — амплитудное значение начального напряжения, кВ; Δ и L — геометрические параметры промежутков, мм.