Электрическая изоляция ВЧ установок ВН - Воздействие поверхностных частичных разрядов на твердые диэлектрики

Глава шестая
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ И СТОЙКОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ К ИХ ВОЗДЕЙСТВИЮ
6-1. Воздействие поверхностных частичных разрядов на твердые диэлектрики

Рис. 6-1. Электродная система при испытаниях 1 — потенциальный электрод, стержень в радиусом скругления головки R; 2 — заземленная плоскость; 3 — образец для испытаний, плоский диэлектрик толщиной Δ; 4 — зона тройного сопряжения

При работе высоковольтной изоляции различных электро- и радиотехнических устройств в ней возникают внутренние и поверхностные частичные разряды (ЧР). Под действием этих разрядов изоляция постепенно деградирует, ухудшаются ее свойства и, в конечном счете, наступает пробой.

Определение потенциального ресурса устойчивости материала к действию разрядов при проектировании высоковольтной изоляции является важной задачей. Особенно актуальным этот вопрос становится Тогда, когда электрический разряд у поверхности диэлектрика является частью технологического процесса, как например, в озонаторах с барьерным разрядом.
Определение потенциального ресурса устойчивости материала к действию разрядов при проектировании высоковольтной изоляции является важной задачей. Особенно актуальным этот вопрос становится Тогда, когда электрический разряд у поверхности диэлектрика является частью технологического процесса, как например, в озонаторах с барьерным разрядом.
Для сравнительной оценки способности диэлектриков противостоять действию ЧР используют результаты испытаний их стойкости к действию поверхностных частичных разрядов (ПЧР). Эти испытания организуются таким образом, что разряды возникают в зоне тройного сопряжения (металл—воздух—диэлектрик) (рис. 6-1).
Основным показателем стойкости диэлектрика к действию ПЧР является время жизни τ, определяемое в конкретных условиях испытаний, а длительная электрическая прочность материала характеризуется «кривой жизни», полученной в  диапазоне изменения τ от нескольких десятков до нескольких тысяч часов. С целью сокращения длительности испытаний их проводят при повышенной интенсивности разрядов. Повышение интенсивности разрядов достигается путем увеличения частоты и напряжения на испытательном промежутке. Однако границы допустимого повышения интенсивности ПЧР неопределенны. Кроме того, время жизни образцов существенно зависит не только от типа диэлектрика, но и от его размеров, формы электродов, вида напряжения и ряда других факторов. Поэтому результаты измерения времени жизни на стандартных образцах, как правило, неприемлемы, если требуется провести оценку стойкости диэлектрика в условиях, отличающихся от испытательных.
В ряде работ [81—83] рассматривается возможность использования в качестве критерия стойкости изоляционных материалов к воздействию ЧР энергетической характеристики — полной энергии ЧР, расходуемой на разрушение единицы объема или массы диэлектрика. Однако определенная таким образом энергетическая характеристика обладает существенным недостатком: она не учитывает, что на разрушение материала расходуется не вся энергия разрядов, а лишь некоторая часть ее, и эта часть может изменяться в зависимости от условий испытаний.
В качестве критерия стойкости должна использоваться такая характеристика, которая не зависела бы от условий эксперимента в достаточно широком диапазоне их изменения и являлась бы индивидуальной характеристикой материала. Кроме того, на получение такой характеристики должно затрачиваться относительно небольшое время. Возможность получения такой характеристики устанавливается исходя из сравнения закономерностей разрушения диэлектрика при ПЧР и закономерностей изменения энергетических характеристик разрядов в широком диапазоне изменения интенсивности ПЧР.
Результаты исследований разрушения различных диэлектрических материалов под действием ПЧР при частоте от 50 Гц до 120 кГц рассмотрены в настоящей главе. На основании этих исследований предлагается универсальная энергетическая характеристика стойкости диэлектриков к воздействию ЧР. 
Исследование характеристик ПЧР, характера и интенсивности разрушения изоляционного материала проводилось на электродных системах, показанных на рис. 6-1. Радиус скругления высоковольтного электрода изменялся в широких пределах — от 50 мкм (игольчатый электрод) до 20 мм (шаровой электрод).
Образцы изоляции представляли собой пластины толщиной от 1 до 10 мм, не имеющие трещин, сколов, вмятин, технологических загрязнений и других подобных дефектов. Перечень применявшихся материалов приведен в табл. 6-1.
Диэлектрики, применявшиеся для испытаний

Испытания проводились на образцах с чистой и сухой поверхностью при нормальных атмосферных условиях. Напряжение синусоидальной формы подавалось на испытательный промежуток от источника, обеспечивающего регулировку частоты от 50 Гц до 120 кГц. При испытаниях измерялись частота f, действующее значение приложенного напряжения U, а по вольт-кулоновой циклограмме определялись энергетические характеристики ПНР: энергия Wчр за период и средняя мощность ПЧР. С помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) измерялись суммарная интенсивность свечения зоны разряда, а также — путем диафрагмирования фотокатода ФЭУ — световой поток с малого участка зоны ионизации (около 1 мм²). Применялся прибор ФЭУ-37, область максимальной спектральной чувствительности которого лежит в диапазоне 380— 420 нм, что, по данным [84], практически совпадает с максимумом излучения ЧР в воздухе. Система перемещения ФЭУ давала возможность проводить непрерывно измерения фототока Iфэу в различных точках зоны ионизации в процессе испытаний. Эти измерения позволяли определять распределение плотности мощности по зоне ионизации, учитывая, что между Рчр и Iфэу существует достаточно жесткая линейная корреляция [84].
Для получения вольт-кулоновых циклограмм применялся емкостной мост, собранный по схеме Дакина и Малинарика [85], в измерительную диагональ которого включался дифференциальный предусилитель осциллографа. Принципиальная блок-схема измерения электрических и оптических характеристик ПЧР приведена на рис. 6-2.

Рассмотрим более подробно энергетические характеристики ПЧР и их связь с характером, стадиями и видами разрушения различных твердых диэлектриков.