Электрическая изоляция ВЧ установок ВН - Энергетические характеристики поверхностных частичных разрядов

Приведем предварительно сведения о начальном напряжении, которое не относится к энергетическим характеристикам, однако является одной из основных характеристик разряда в промежутке, в том числе и при ПЧР.
Начальное напряжение ПЧР, Uн — напряжение, приложенное ко всему промежутку, при котором в воздушной части его выполняется условие самостоятельности разряда. Начальное напряжение является тем пороговым значением напряжения, ниже которого ЧР в изоляции практически отсутствуют.
Начальное напряжение является специфической характеристикой конкретного промежутка, поэтому целесообразно пользоваться не абсолютным значением приложенного напряжения U, а его кратностью по отношению к начальному напряжению.
По отношению к иц определяется и другая характерная величина — коэффициент гашения— напряжение гашения ПЧР.
Через начальное напряжение выражаются обычно и другие основные характеристики ЧР — их число в единицу времени, заряд, ток, энергия, мощность.
Экспериментальное определение начального напряжения может осуществляться различными методами. Наиболее простой — визуальный метод. Он применяется, если имеется возможность затемнить помещение, в котором ведется наблюдение, и есть уверенность, что место возникновения ПЧР доступно для наблюдения. Однако и при этих условиях надежная регистрация ПЧР осуществляется лишь при повышенных частотах и после адаптации глаза наблюдателя в темноте в течение (5—10) мин [1]. При снижении частоты излучение ПЧР в видимой части спектра уменьшается, и его регистрация затрудняется. Это позволяет говорить о так называемом напряжении появления видимой короны Uв.к. Оно зависит от индивидуальных способностей и опыта наблюдателя и является, таким образом, субъективной характеристикой. При промышленной частоте напряжение Uв.к может на (20—30)% превышать начальное напряжение.

Для примера приведем сопоставление различных методов измерения напряжения возникновения ПЧР для промежутка стержень- диэлектрик—плоскость (рис. 6-1) со следующими характеристиками: диэлектрик—пластина из эпоксидного компаунда ЭЗК-10 толщиной 0,7 мм; высоковольтный электрод — полированный стальной стержень диаметром 5 мм с заточкой конца на конус и радиусом скругления конца 0,5 мм. Визуальным методом фиксировалось напряжение появления видимого в темноте свечения; электрическим —  напряжение появления электрического сигнала с кажущимся зарядом выше 0,5 пКл; оптическим — напряжение появления оптического сигнала, измеренного с помощью фотоэлектронного умножителя, с эквивалентным значением кажущегося заряда выше 0,1 пКл. Результаты сопоставления в диапазоне частот от 50 Гц до 60 кГц приведены в табл. 6-2.

Таблица 6-2
Сравнение различных методов определенна напряжения возникновения ПНР

Из приведенных в табл. 6-2 данных следует, что при частотах около 20 кГц и выше все три метода фиксируют возникновение ПЧР при одном и том же напряжении. Учитывая пороговый характер возникновения электрического и оптического сигнала, это напряжение является начальным напряжением ПЧР.
Для определения значения начального напряжения ПЧР был использован также электрографический метод (86, 87], обладающий высокой чувствительностью, которая не зависит от частоты воздействующего напряжения. Результаты, полученные этим методом, также подтвердили независимость начального напряжения ПЧР от частоты воздействующего напряжения.
Отсюда следует, что визуальный метод позволяет фиксировать при частотах выше 20 кГц начальные напряжения ПЧР на уровне чувствительности по кажущемуся заряду не хуже 0,1 пКл.
Итак, как показали измерения авторов, объективные методы регистрации ПЧР с помощью электрографических, а также электрических и оптических методов показывают, что в широком диапазоне частот — от 0,05 до 200 кГц — ПЧР возникают в одинаковых промежутках при одних и тех же значениях напряжения, причем эти экспериментальные значения хорошо согласуются с расчетными начальными напряжениями.

Рис. 6-3. Зависимость мощности ПЧР от кратности напряжения и частоты в промежутке игла—диэлектрик- плоскость при относительной плотности воздуха δ0=1. Диэлектрик — эпоксидный компаунд ЭЗК-14 толщиной 10 мм
1 - 10 кГц; 2 - 40; 3 - 110

Таким образом, начальное напряжение является индивидуальной характеристикой изоляционного промежутка в широком диапазоне изменения частоты напряжения. Но оно не несет информации об интенсивности частичных разрядов, определяя лишь сам факт их возникновения при заданных условиях.
Перейдем к рассмотрению энергетических характеристик ПЧР.
Средняя мощность ПЧР. Как отмечалось выше, для различных диэлектриков были измерены энергии ПЧР за период Измерения проводились в широких пределах изменения nU и f. По результатам этих измерений были получены зависимости от nU и f средней мощности ПЧР,. Характерный вид таких зависимостей Для одного из материалов представлен на рис. 6-3. Для всех исследованных материалов зависимости носят аналогичный характер и могут быть описаны выражением вида:
(6-1)

Значения параметров А, т и п на различных участках зависимостей различны и могут быть получены расчетным путем для конкретного вида промежутка с помощью модели мгновенного источника тепла, либо по экспериментальным зависимостям (рис. 6-3). Приведенные выше результаты измерений Рчр относятся к нормальным атмосферным условиям.
Однако на интенсивность ПЧР влияют не только кратность и частота напряжения, но также давление и температура воздуха. Исследования зависимости Рчр от указанных факторов были проведены при изменении давления р от 25 до 100 кПа и температуры Т от 290 до 390 К [88]. Наряду с Рчр измерялся объем (V) разрушенного во время испытаний материала,
необходимый для определения удельной энергии разрушения (см. ниже).
Эксперименты проводились для промежутка игла—диэлектрик- плоскость. Образцы диэлектрика представляли собой пластины толщиной 2 мм из эпоксидного компаунда ЭЗК-10. Частота напряжения равнялась 45 кГц, а значения кратности напряжения составляли nU=1,3—2,0 при Uн=1,15 кВ.
Для уменьшения объема экспериментальной работы она проводилась с использованием метода факторного анализа. План эксперимента и результаты измерения Рчр и V при соответствующих условиях даны в табл. 6-3.

Таблица 6-3
План эксперимента и результаты измерений Рчр и V в зависимости от давления и температуры воздуха

Результаты экспериментов были обобщены в виде зависимостей Ρчр от относительной плотности воздуха δ при разных значениях пU (рис. 6-4), из которых следует, что снижение δ приводит к существенному увеличению интенсивности ПЧР.
Доля мощности ПЧР, затрачиваемая на разрушение диэлектрика. Энергию поверхностных частичных разрядов, выделившуюся в испытательном промежутке, можно условно разделить на ряд составляющих по видам физических процессов, в которых они участвуют. Это — нагрев диэлектрика и окружающего воздуха, излучение в видимой и ультрафиолетовой областях, разрушение диэлектрика и вынос его компонентов из зоны разряда и некоторые другие составляющие. Эти составляющие, за исключением той части энергии, которая затрачивается на разрушение, так или иначе переходят в тепло и не участвуют непосредственно в разрушении диэлектрика.
Такое деление является, разумеется, условным и не означает, например, что нагрев диэлектрика не сказывается на скорости разрушения или сроке службы изоляции. Оно указывает лишь на то,  
что определенная часть полной энергии затрачивается на разрушение материала, другая часть в виде «бесполезной» (для разрушения диэлектрика) тепловой энергии рассеивается в окружающей среде. Обозначив мощность, затрачиваемую на разрушение, через Рр, а мощность тепловых потерь через Рт, получим:
(6-2)
Прямым экспериментом определить Рр достаточно трудно. Более удобный и простой путь заключается в измерении и Ртп, тогда Рр определяется как разность между ними. Измерения Рчр и Ртп для исследуемых материалов были проведены в широких диапазонах изменения nu и f. Как отмечалось выше, Рчр определялась по вольт- кулоновым циклограммам, полученным мостовым методом, а Ртп измерялась калориметрическими методами.
Долю мощности ПЧР, затрачиваемую на разрушение диэлектрика, удобно характеризовать отношением
(6-3) которое будем называть коэффициентом разрушающего действия ПЧР. Мощности Рчр и Рт были измерены для промежутка игла- диэлектрик—плоскость при изменении интенсивности ПЧР в широких пределах. Опыты показали, что с увеличением интенсивности ПЧР происходит увеличение коэффициента z от сотых долей до значений, близких к единице.
Полученные результаты были обобщены при использовании в качестве аргумента мощности частичных разрядов Рчр. На рис. 6-5 приведена обобщенная зависимость z от Р^. Кроме того, она может быть представлена в виде кусочно-линейной функции с изломом вблизи точки Рчр=1 Вт и выражена для  эмпирическим уравнением
Была исследована зависимость коэффициента z от давления и температуры воздуха [88].
Методика определения z, разработанная для нормальных условий, не могла быть непосредственно использована при изменяющихся температуре Т и давлении р воздуха из-за невозможности одновременно поддерживать на нужном уровне эти параметры и фиксировать перегрев воздуха, повышение его давления, вызываемые ПЧР. В связи с этим была использована методика, позволяющая оценивать изменение z от р, Т косвенным способом по соотношению объемов кратеров разрушенного материала при различных плотностях воздуха δ:

Рис. 6-5. Обобщенная зависимость коэффициента разрушающего действия X от мощности ПЧР в промежутке игла—диэлектрик—плоскость при относительной плотности воздуха δ0=1. Точки — экспериментальные значения в диапазоне частот 10—100 кГц

(6-5)
Экспериментальная зависимость коэффициента г от интенсивности ПЧР подтверждается и теоретическим анализом, при котором этот коэффициент рассматривается как вероятность разрыва связей молекул диэлектрика электронами, бомбардирующими его поверхность [89].
Вероятность приобретения электроном энергии W или большей при длине свободного пробега λ равна
(6-6)
где е — заряд электрона; Е — напряженность электрического поля.
Пусть электрон, обладающий энергией W, может разорвать связь в молекуле диэлектрика. Электрон, обладающий меньшей энергией, связь разорвать не может, но в этом случае возможен кумулятивный эффект [81], т.е. происходит как бы постепенное накопление энергии, облегчающее разрыв связей. Оно выражается в виде нагрева диэлектрика. Теплопередача и теплоотдача во внешнюю среду ограничивают нагрев на некотором уровне при заданной интенсивности  

Наиболее подходящим методом вывода функции Φ(ε) является решение кинетического уравнения Больцмана, однако этот метод неприменим из-за ряда принципиальных трудностей [15]. Поэтому воспользуемся выражением (6-11) и подставим его в (6-9). Кроме того, отметим, что по мере роста энергии электрона при движении его в электрическим поле возрастает вероятность Р(W) неупругих

Рис. 6-6. Примерный вид зависимости вероятности неупругих столкновений электронов от его энергии для газов

Эта вероятность имеет вид столкновений электрона с атомами и молекулами, а также упругих столкновений с большим углом рассеяния. Это приводит к потере электронов, участвующих в развитии лавины. В [15] проведен расчет полной вероятности накопления электроном энергии в предположении, что зависимость P(W) от W представляется n-ступенчатой линией (рис. 6-6). 

где Ν — коэффициент, учитывающий число стартующих лавин при частичном разряде и число разрядов в единицу времени.
Полученное выражение показывает, что коэффициент z зависит от напряженности поля, частоты напряжения, теплофизических свойств диэлектрика, состава газа, образующегося в процессе разложения этого диэлектрика под действием ПЧР. Первое слагаемое в показателе степени экспоненты оказывает решающее влияние при относительно небольших напряженностях, когда усиление лавины достигает значения 1 δ. При больших напряженностях, когда , усиливается влияние второго слагаемого. Такие значения достигаются при стримерном механизме разряда [91].  
Следовательно, с ростом интенсивности ПЧР должен расти и коэффициент разрушающего действия z.
Таким образом, экспериментальные данные и теоретический анализ показывают, что коэффициент х определяется в основном интенсивностью ПЧР и в меньшей степени видом материала диэлектрика.
Наличие зависимости коэффициента z от условий испытаний снимает встречающиеся в литературе противоречия в отношении использования энергетических характеристик ЧР в качестве критерия стойкости диэлектрика к их воздействию. Зависимость х от условий испытаний необходимо учитывать при повышении интенсивности ЧР с целью сокращения длительности испытаний диэлектриков на срок службы.
В заключение отметим, что при внутренних ЧР зависимость рис. 6-5, по всей вероятности, будет смещена относительно оси абсцисс влево, так как отвод энергии от зоны действия разрядов в этом случае будет затруднен и большая часть энергии ЧР будет расходоваться на разрушение диэлектрика.
Плотность мощности ПЧР. Рассмотренные выше интегральные энергетические характеристики ПЧР не позволяют ответить на вопрос, как происходит разрушение диэлектрика в различных точках зоны ионизации. Объясняется это тем, что интенсивность ПЧР различна в различных точках этой зоны.
Для характеристики интенсивности ПЧР в различных точках зоны ионизации, очевидно, должна использоваться удельная энергетическая характеристика — плотность мощности ПЧР, которая определяется как количество энергии, выделившейся в единицу времени на единичном участке поверхности диэлектрика — Руд, Вт/мм². Удельная мощность Р^ определяет интенсивность разрушения диэлектрика в данной точке под действием ПЧР. Распределение Руд по зоне ионизации подобно распределению глубины кратера разрушения диэлектрика. При этом для оценки времени жизни диэлектрика наибольший интерес представляет максимальное значение Руд, которому соответствует наибольшая глубина кратера разрушения, так как прорастание канала разряда из этой зоны, как правило, приводит к пробою диэлектрика под действием ПЧР.
Были проведены измерения распределения Руд и профилей кратеров эрозии диэлектрика по зоне ионизации для различных испытательных промежутков, у которых плоский образец диэлектрика располагался на заземленной плоскости, а высоковольтными электродами были игла, шар, провод, лезвие и т.д. [92]. Измерения проводились при частотах 8—120 кГц и напряжениях 3—10 кВ.
Как отмечалось выше, между мощностью ПЧР и их световым излучением существует достаточно жесткая линейная корреляция. Поэтому распределения Руд определялись по распределению тока ФЭУ. Глубины кратеров эрозии диэлектрика h измерялись с помощью микроскопа.

На рис. 6-7 в качестве примера показаны распределения Pуд и h по зоне ионизации для промежутка шар—диэлектрик—плоскость.
Эти измерения позволили установить зависимости h от Руд для различных промежутков, причем для промежутков, у которых высоковольтный электрод имеет малый радиус скругления, например, для промежутка игла—диэлектрик—плоскость эти зависимости практически линейны в интервале изменения Руд до 30 мВт/мм² и h до 250 мкм. Это обстоятельство определило выбор промежутка игла—диэлектрик—плоскость для проведения ускоренных испытаний диэлектриков на стойкость к действию ЧР.
6-3. Стадии н виды разрушения диэлектриков под действием ПЧР
При приложении к испытательному промежутку напряжения, превышающего UН, под действием ПЧР начинается разрушение диэлектрика. Характер разрушения зависит от типа диэлектрика, состояния его поверхности, а также от напряжения, частоты и времени выдержки образцов под напряжением.
В процессе разрушения диэлектрика можно выделить три стадии: первая — образование кратера относительно небольшой глубины с диаметром, практически равным диаметру зоны ионизации; вторая — интенсивное разрушение диэлектрика и прорастание канала в его толщу; третья — электрический или тепловой пробой оставшейся еще неразрушенной части диэлектрика. Образование кратера на первой стадии происходит в результате эрозии поверхности диэлектрика. Такой вид разрушения соответствует относительно малым интенсивностям ПЧР, характерным для обычных рабочих режимов изоляции. По мере возрастания интенсивности ПЧР (например, из-за увеличения частоты или напряжения) вид разрушения изменяется. По видам разрушения все исследованные диэлектрики могут быть разделены на две большие группы.
В первую группу попадают заливочные компаунды с наполнителями — кварцевым песком, тальком и т. п, У них образование кратера эрозии на первой стадии связано с разрушением органического компонента диэлектрика и уносом его из зоны разряда. Кратер имеет конусообразную форму. С увеличением напряжения и частоты, а также времени выдержки образца под напряжением в местах наибольшей глубины кратера возникают и развиваются в диэлектрике по направлению к противоположному электроду каналы—дендриты вплоть до пробоя. Дальнейшее увеличение интенсивности ПЧР сопровождается появлением треков на поверхности диэлектрика, с которым связана термодеструкция полимера.
К этой же группе относятся стеклоэмали, у которых под действием разрядов на поверхности наблюдается потеря блеска (при малых интенсивностях разрядов), образование кратера за счет потерь массы на выщелачивание (при увеличении интенсивности разрядов и времени выдержки под напряжением). На поверхности кратера присутствует слой, содержащий силикагель, глинозем, воду и ряд компонентов, состав которых зависит от типа эмали.
При дальнейшем росте интенсивности разрядов появление треков не наблюдалось, происходил электротепловой пробой стеклоэмали.
Вторая группа материалов не содержит наполнителя (ПТФЭ, ПЭ, ТП, ЭПК). Для них при малой интенсивности ПЧР характерным видом разрушения так же, как и в первом случае, является образование конусообразного кратера. Рост частоты и напряжения сопровождается появлением устойчивых ярких каналов у поверхности диэлектрика, под которыми возникает глубокая местная эрозия. В дальнейшем процесс завершается образованием полости, часто сферической. К этому же виду разрушения можно отнести и развитие цилиндрических полостей, которые наблюдались у компаунда ЭНС- 6Т с наполнителем в виде стеклянных сфер микронных размеров. Для этой группы диэлектриков, в отличие от предыдущей, характерным является «проплавление» полимера, а не образование дендрита.
Как показывает анализ тепловых процессов в зоне ПЧР, деление диэлектриков на группы по характеру развития разрушения связано с различиями в их теплофизических характеристиках. Различные виды разрушения определяются интенсивностью ПЧР, т. е. энергией, внедряемой в зону разряда.
Между различными видами разрушения существуют определенные границы. Изменение вида разрушения связано с превышением при определенной интенсивности ПЧР некоторой граничной температуры его поверхности. В установившемся режиме перегрев диэлектрика ∆Туст в зоне ПЧР зависит от его теплопроводности ат и связан с тепловым потоком Q через площадку образца в зоне ПЧР соотношением
(6-15)
где G — геометрический фактор, учитывающий форму и размеры источника тепла и образца диэлектрика; Θ — температурный параметр, зависящий от теплофизических свойств диэлектрика и окружающей среды.
Положим с некоторым запасом, что тепловая энергия, переданная диэлектрику за единицу времени, равна мощности разряда Рчр, затраченной на разрушение этого диэлектрика.
Тогда, с учетом (6-1), Q можно представить в виде функции fи nU, и следовательно,

(6-16)

Пусть при перегревах, меньших ∆Tlt разрушение возможно только в виде эрозии; при происходит образование треков и пробой образца, а в диапазоне может наблюдаться терморазрушение с образованием дендритов и полостей в диэлектрике. Тогда, согласно (6-16) линии изотермразделят квадрант сочетаний значений кратностей напряжений и частот при ПЧР на три области (рис. 6-8):
область I — основным механизмом разрушения является эрозия поверхности под действием бомбардировки ее заряженными частицами;
область II — интенсивность ПЧР такова, что происходит нагрев диэлектрика в зоне разряда до температур плавления полимера и его терморазложения; для стеклоэмалей положение области II соответствует такой интенсивности ПЧР, при которой температура на поверхности эмали не превысит температуры ее стойкости к теплосменам [93];
область Ш — интенсивность ПЧР настолько высока, что образуются треки на поверхности полимерных диэлектриков и происходит быстрый пробой образца.
Указанное деление сочетаний f и nU на области по видам разрушения позволяет решить задачу об определении допустимых границ повышения интенсивности ПЧР при испытаниях диэлектрика на стойкость к воздействию этих разрядов.
Для рабочих режимов изоляции характерны малые значения f и nU. Основным механизмом разрушения является эрозия поверхности. Поэтому испытания целесообразно проводить при f и nU, соответствующих области I (рис. 6-8).
Установившийся перегрев поверхности диэлектрика под действием разрядов может

Рис. 6-8. Области сочетаний f и nU, определяющие виды разрушения диэлектрика

Исходя из этого выражения для испытательного промежутка игла—диэлектрик—плоскость на рис. 6-9 представлена серия зависимостей, определяющая предельные значения частоты f и энергии ПЧР Wчр, при испытаниях диэлектриков с различными допустимыми температурами нагрева и теплопроводностями. Подчеркнем еще раз, что предполагается эрозионное разрушение диэлектрика, соответствующее работе материала при длительных рабочих напряжениях.