Электрическая изоляция ВЧ установок ВН - Разрядные напряжения изоляторов в условиях дождя

В условиях Эксплуатации наружные установки подвергаются различным воздействиям, связанным с наличием в атмосфере влаги: смачиванию поверхности дождем, росой, обледенению и т.п.
Атмосферные осадки усиливают неоднородность поля изоляторов и, как правило, снижают их разрядные напряжения. Сравнительные испытания изоляторов напряжением высокой частоты при различных атмосферных воздействиях, увлажняющих поверхность изоляторов, показали, что наибольшее снижение разрядных напряжений имеет место при дожде [1].  

Рис. 5-20. Разрядные напряжения (1,2) и напряжение начала коронирования (3) цилиндрического изолятора диаметром 80 мм в практически однородном поле при частоте 150 кГц в сухих условиях (1) и под дождем (2, 3)

Даже в том случае, когда изолятор помещается между плоскостями, создающими практически однородное поле, в условиях дождя образующиеся на поверхности изолятора капли и струи создают значительные неоднородности в распределении электрического поля. В результате при некотором напряжении на поверхности изолятора возникают очаги короны и частичные дуги, которые предшествуют полному перекрытию изолятора. Разрядное напряжение под дождем Uм (мокроразрядное напряжение) может быть в несколько раз ниже, чем при сухой поверхности изолятора. Из рис. 5-20 видно, что коронирование смоченной поверхности изолятора начинается при средних градиентах напряжения около 1 кВ/см.  Разрядные напряжения снижаются в 5—6 раз и становятся практически равными мокроразрядным напряжениям изоляторов в неоднородном поле.
Подробные исследования разрядных характеристик под дождем в неоднородном электрическом поле были проведены для изоляторов типа АС (табл. 5-1). Опыты проводились при стандартном дожде капельной структуры, однако с объемным сопротивлением воды около 45 Ом·м. Диапазон частот составлял 15— 1500 кГц.
Электрическая прочность изоляторов под дождем при напряжении высокой частоты, так же как и при напряжении промышленной частоты, существенно ниже, чем в сухих условиях. Перекрытие изолятора происходит следующим образом. При повышении напряжения до 10—15 кВ наблюдается сильное испарение влаги с поверхности изолятора. Затем на поверхности изолятора около верхнего электрода образуются частичные дужки (напряжение 15—20 кВ). При повышении напряжения количество частичных дужек увеличивается. Они располагаются кольцевыми зонами вокруг изолятора. При дальнейшем повышении напряжения частичные дужки сливаются, образуя канал «скользящего разряда» (напряжение 20—26 кВ), развивающийся от верхнего электрода. Название «скользящий разряд» присвоено разряду вдоль поверхности изоляторов, предшествующему полному перекрытию в условиях дождя, вследствие его сходства со скользящим разрядом, предшествующим перекрытию изоляторов с преобладающей нормальной составляющей электрического поля. Помимо чисто внешнего сходства эти разряды объединяет низкий градиент и высокая температура в канале.

Рис. 5-21. Стадии перекрыши изолятора АС-300 в условиях дождя при частоте 150 кГц

Первоначальный «скользящий разряд» неустойчив и может погаснуть под воздействием падающих капель дождя и снова возникнуть. Однако небольшое повышение напряжения делает его устойчивым. Длина устойчивого «скользящего разряда» вдоль поверхности изолятора составляет приблизительно 5—7 см. По всей поверхности изолятора в это время наблюдаются частичные дужки. Устойчивый «скользящий разряд» при повышении напряжения удлиняется и прорастает к нижнему электроду, что означает полное перекрытие промежутка (напряжение 26—30 кВ). Описанная картина разряда наблюдается при частотах 50 Гц, 15 и 150 кГц. На рис. 5-21 приведены фотографии последовательных стадий разряда под дождем при частоте 150 кГц.
В некоторых случаях полное перекрытие изолятора под дождем происходит иначе. На каплях и струйках дождя, стекающих с верхнего электрода, образуется кисть короны, которая не гаснет после исчезновения струйки (струйки стекают с различных точек поверхности электродов весьма нерегулярно), а продолжает гореть на арматуре изолятора. Увеличение напряжения приводит к удлинению кисти короны, и в конце концов происходит полное перекрытие изолятора.
При напряжении частотой 150 кГц наблюдаются оба механизма перекрытия изолятора. Причем напряжения образования кисти и «скользящего разряда», так же как и напряжение перекрытия, для обоих случаев очень близки и находятся в пределах разброса измеряемых значений.
При частоте 1500 кГц перекрытие изоляторов под дождем происходило только в результате образования кистевой короны.
На рис. 5-22 представлены фотографии стадий перекрытия изолятора при частоте 1500 кГц. С повышением напряжения наблюдается, как и при других частотах, испарение влаги с поверхности изолятора, однако затем не происходит образования частичных дужек, а возникает мощная кистевая корона на каплях и струйках дождя. Перекрытие изолятора происходит в результате удлинения этой кисти с увеличением напряжения и прорастания ев к соседнему электроду.
«Скользящий разряд» и кистевая корона на изоляторе приводят к его сильному разогреву и даже разрушению Изолятор АС-2500-300 под воздействием «скользящего разряда», максимальная длина которого равнялась половине длины изолятора, при 18 кГц разрушился через 40 мин после приложения напряжения. Напряжение на изоляторе при этом колебалось от 30 до 34 кВ. Разрушение изолятора произошло в результате сильного разогрева стеатита каналом разряда. Изолятор АС-1500-380 разрушился в процессе испытания при частоте 1500 кГц через 5 минут после подачи напряжения.
Если разряд развивается по смоченной дождем поверхности, то разрядное напряжение мало зависит от атмосферного давления. Когда путь разряда состоит из чередующихся участков поверхности изолятора, смоченных дождем, и воздушных промежутков, то атмосферное давление влияет на разрядные напряжения — тем в большей степени, чем большую долю в пути разряда составляют воздушные промежутки, Исходя из этого, при приведении мокроразрядных напряжений к нормальному давлению надо учитывать механизм перекрытия при различных частотах.
При частотах 50 Гц и 15 кГц перекрытие происходит по поверхности изолятора, поэтому изменение атмосферного давления можно не учитывать.

Рис. 5-22. Стадии перекрытия изолятора АС-300 в условиях дождя при частоте 1500 кГц

Таблица 5-4

При частоте 150 кГц примерно половица разрядов происходит по воздуху, следовательно, приведение к нормальному давлению можно с некоторой погрешностью выполнить, определяя kр по следующей формуле:
(5-7)
При частоте 1500 кГц перекрытие с основном происходит по воздуху, поэтому

(5-8)
Приведение к нормальным условиям напряжения возникновения «скользящего разряда» (кистевой короны) производится аналогично приведению напряжения перекрытия.
В табл. 5-4 и на рис. 5-8 и 5-9 представлены результаты измерений напряжения возникновения «скользящего разряда» и напряжения перекрытия для разных типов изоляторов в зависимости от частоты.

Результаты экспериментов показывают, что электрические характеристики изоляторов при частотах 50 Гц, 15 и 150 кГц слабо зависят от частоты. Наблюдаемое расхождение определяется разбросом измеряемых значений. Лишь при частоте 1500 кГц наблюдается некоторое снижение напряжения перекрытия.
Для того, чтобы объяснить характер зависимости напряжения перекрытия от частоты, обратимся вновь к механизму перекрытия изолятора под дождем. При увлажнении изолятора дождем на его поверхности образуется пленка воды. При наличии напряжения по водяной пленке протекает ток утечки. Ток утечки зависит от проводимости воды, толщины пленки, формы и размеров изолятора. В случае изолятора с гладкой цилиндрической поверхностью и равномерным слоем водяной пленки напряженность Екр, при которой   существует равновесие между количеством испаряющейся и выпадающей воды, следуя [72], определяется по формуле

(5-9)

где j— интенсивность дождя в мм/мин; χn — удельная поверхностная проводимость в 1/Ом.
Если напряженность превышает критическую, то происходит подсушка поверхности изолятора. Поскольку стержневые изоляторы равномерно смачиваются водой, то подсушка поверхности происходит в месте наибольшей напряженности у верхнего конца изолятора. На подсушенные участки в результате перераспределения напряжения вдоль пути утечки приходится большая часть приложенного к изолятору напряжения. Рост падения напряжения на подсушенных участках ограничивается пробоем воздуха параллельно подсушенной поверхности с образованием дужки. Дужки на поверхности изолятора могут погаснуть при шунтировании их поверхности вновь смоченными водой участками. Такой неустойчивый режим, сопровождающийся возникновением и угасанием дужек, называется режимом перемежающихся или частичных дужек [79].
При повышении напряжения частичные дужки удлиняются, сливаются между собой, образуя «скользящий разряд», который приводит к полному перекрытию изолятора.
Как следует из выражения (5-9), начальные стадии процесса перекрытия изолятора под дождем полностью определяются поверхностной проводимостью χп и интенсивностью дождя j. Поэтому при частотах 50 Гц, 15 и 150 кГц, где механизм перекрытия одинаков, напряжения возникновения частичных дужек, «скользящего разряда» и полного перекрытия от частоты практически не зависят.
Элементарная схема замещения стержневого изолятора, смоченного водой, представляет собой параллельное соединение активного сопротивления Rв, равного сопротивлению пленки воды, и емкости изолятора Си, равной емкости между верхним электродом и землей (рис. 5-23,а). Увеличение частоты увеличивает емкостной ток, однако никак не влияет на разрядные напряжения.

Рис. 5-33. Схемы замещения изолятора под дождем: а) на частотах 50 Гц, 15—150 кГц; б) на частоте 1500 кГц. Си — емкость изолятора; Rв — сопротивление пленки воды; Ск — емкость кистевой короны; — сопротивление канала кистевой короны
При частоте 1500 кГц начальные напряжения коронного разряда уменьшаются на 25—30%. Поэтому кистевой коронный разряд зажигается на арматуре изолятора до появления частичных дужек. При дальнейшем повышении напряжения развивающаяся кисть короны экранирует поверхность изолятора, уменьшая напряженность электрического поля вдоль поверхности изолятора около арматуры. В результате на подсушенных участках не возникают частичные дужки. Схема замещения стержневого изолятора с кистевой короной на арматуре представлена на рис. 5-23,6. Ток, протекающий через кисть короны по цепи Rк—Ск, зависит от частоты приложенного напряжения. При частоте 1500 кГц возможно существование высокотемпературных каналов разряда, представляющих опасность для изолятора.
Итак, исследования перекрытий по поверхности стержневых изоляторов в широком диапазоне частот показали следующее. Процесс перекрытия при частотах до 150 кГц аналогичен процессу перекрытия при 50 Гц. При более высоких частотах характер перекрытия несколько. меняется. Однако во всех случаях в канале высокочастотного разряда, предшествующего полному перекрытию изоляторов (в канале «скользящего разряда», кистевой короны и факельного разряда) наблюдаются высокие значения температуры — свыше 3000 К [1, 80], опасные для целостности изолятора. Поэтому при выборе рабочих напряжений изоляторов следует учитывать недопустимость возникновения на их поверхности, либо вблизи ее высокотемпературного канала разряда.