7.9. Пробой по поверхности изоляторов
На рис. 7.55 представлены два устройства, в которых может возникнуть пробой вдоль изоляционной поверхности. В устройстве, показанном на рис. 7.55,а, разряд по поверхности раздела двух изоляционных сред возникает лишь в том случае, если на этой поверхности будут созданы наиболее благоприятные для этого условия.
Рис. 7.55. Разряд по поверхности изоляторов с тангенциальной (а) и нормальной (б) составляющими напряженности поля
Неровности поверхности изолятора и вызванное ими искажение поля или зазоры между изолятором и электродами с повышенной напряженностью поля в них приводят, особенно в устройствах с элегазом, к снижению электрической прочности. Кроме того, искажение поля и снижение разрядного напряжения могут вызвать посторонние металлические или изоляционные частицы, а также вода или масло, попавшие на поверхность. Разрядные процессы вдоль поверхности рассматриваются по аналогии с описанными процессами в п. 7.5.5. При гладкой и чистой поверхности изолятора на рис. 7.55,а можно получить такие же разрядные характеристики, как и для газового промежутка. В подобных устройствах, находящихся в воздухе, электрическая прочность снижается прежде всего за счет образования на поверхности проводящего слоя загрязнений. Разрядные свойства при этом определяются характеристиками дуги и электропроводностью слоя загрязнения.
В устройстве, приведенном на рис. 7.55,6, в идеальных условиях газовый разряд также приводит к пробою, хотя и с некоторыми особенностями. Это устройство отличается тем, что силовые линии поля направлены практически перпендикулярно поверхности изолятора. Предпочтительное развитие разряда по кратчайшему расстоянию устранено в этом случае благодаря наличию изоляционного барьера, и разряд развивается вдоль поверхности изолятора. Такой вид разряда называется также скользящим разрядом.
Скользящий разряд по поверхности изоляторов
Вследствие наличия нормальной составляющей поля носители заряда на своем пути встречают поверхность изоляции. Носители зарядов могут захватываться этой поверхностью или же высвобождаться с нее. Однако влияние свободных носителей на разряд в газе очень ограничено, так как практически мгновенно вблизи разрядного канала образуется поверхностный заряд, который изменяет нормальную составляющую напряженности в такой степени, что подобные эффекты на поверхности прекращаются. Поэтому можно считать, что скользящий разряд развивается вблизи поверхности без существенного взаимодействия с ней. В этом смысле вид изоляционного материала не играет роли при формировании разряда, так как речь идет о разряде в окружающем газе, который в основном и развивается как в чистом газе, при этом принципиально наблюдаются те же разрядные явления, что и в чисто газовом промежутке.
Устройство, приведенное на рис. 7.55,б, имеет сильнонеоднородное распределение поля при больших расстояниях между электродами, когда изоляционная пластина намного выступает от верхнего электрода.
Рис. 7.56. Скользящие разряды в цилиндрическом устройстве с проводником 1, изоляционной трубой 2 и внешнем проводящим цилиндром 3: а — разряд с тонкими каналами; б — древовидный разряд
Рис. 7.57. Скользящий разряд непосредственно перед переходом в дуговую стадию [7.6]
Здесь можно ожидать появления лидерного разряда, описанного в п. 7.6.3 и 7.6.5. Впрочем, при изменении напряжения во времени, тонком слое изоляции и большой ее диэлектрической проницаемости следует ожидать больших значений тока смещения, чем и обусловлены особенности этого вида разряда. Поэтому описанный ниже разряд имеет место только при импульсном и переменном напряжениях.
На рис. 7.56 показано развитие разряда, типичного для цилиндрической системы (выхода обмотки статора из паза ферромагнитного сердечника). Сначала образуются только скользящие разряды (рис. 7.56,а), которые соответствуют стримерам в газовом промежутке. В зависимости от выполнения электродов перед этой формой разряда могут иметь место стабильные единичные частичные разряды. При дальнейшем повышении напряжения стримерные разряды становятся более густыми, и при достижении достаточной плотности тока у основания стримеров возникает скользящий разветвленный разряд, показанный на рис. 7.56,б, который соответствует лидерному разряду. Канал скользящего разряда характеризуется высокой степенью ионизации и малым градиентом напряжения. Таким образом, имеем принципиально такую же картину, что и при лидерном пробое в газе. Если ствол скользящего разряда, увенченный скользящими стримерами, как и лидер, заканчивающийся стримерами, перекрывает промежуток по поверхности изолятора между металлическими электродами, пробой можно считать завершенным.
Рис. 7.58. Устройство со скользящим разрядом (а) и его схема замещения (б)
На рис. 7.57 показан скользящий разряд непосредственно перед пробоем. Внизу виден ствол скользящего разряда. Из-за большой емкости относительно противоположного электрода в канале скользящего разряда протекает значительный ток смещения даже при малых напряжениях. Поэтому уже при длинах скользящих стримеров порядка нескольких сантиметров может быть достигнута плотность тока, необходимая для образования ствола скользящего разряда, в то время как в чисто газовом промежутке длина стримеров, необходимая для образования лидеров, должна быть более 1 м. Только при высокой частоте с соответственно большими токами смещения возможно образование лидеров в газе при меньшей длине стримеров.
Для развития пробоя решающим фактором является значение удельной поверхностной емкости
, представляющей собой емкость единицы поверхности изолятора относительно противоположного электрода. Если слой твердой изоляции толщиной d вблизи электрода можно считать плоским, то
(7.214)
На рис. 7.58 показаны принципиальное устройство со скользящим разрядом и его схема замещения. За сопротивлением RF ствола скользящего разряда включена емкость поверхности, находящейся под скользящими стримерами:
(7.215)
Можно оценить энергию, выделенную в стволе скользящего разряда или в сопротивлении RF. Если на схему замещения подать прямоугольный импульс, то в сопротивлении выделится наибольшая энергия. Если эта энергия равна необходимой для термоионизации энергии
, то образуется термоионизованный канал скользящего разряда, а напряжение Ug
Рис. 7.59. Эскиз ввода высокого напряжения
можно считать начальным для возникновения ствола. С учетом (7.214), (7.215) запишем
Как показывают многочисленные эксперименты, при синусоидальном переменном напряжении справедливо следующее эмпирическое выражение для начального напряжения возникновения ствола, кВ:
(7.216)
где d — толщина изоляции, см.
Описанные скользящие разряды должны возникать не только при работе оборудования, но и при его испытаниях. Чтобы этого избежать, необходимо выбрать достаточно большую толщину изоляции. Поэтому толщина изоляции d и диаметр D проходного изолятора у фланца (рис. 7.59) определяются напряжением возникновения скользящих разрядов. Целесообразно использовать изоляционные материалы с малой диэлектрической проницаемостью. Разрядное расстояние зависит от окружающей среды (воздух, SF6, масло).
Разряд по загрязненной поверхности изоляторов
На изоляционные свойства изоляторов наружной установки оказывает сильное влияние образование на поверхности слоя загрязнений. Это необходимо прежде всего учитывать на побережье моря и в промышленных районах, так как загрязнения в этих районах содержат особенно много растворимых и способных к диссоциации веществ, что обусловливает высокую электропроводность слоя загрязнения, подвергающегося увлажнению из-за тумана или конденсации влаги.
Рис. 7.60. Стадии разряда по загрязненной поверхности
При идеально равномерной электропроводности слоя имеет место однородное распределение поля, соответствующее полю электрического тока. Однако при образовании подсушенных областей распределение поля сильно искажается. Образуются частичные дуги, которые в конце концов могут привести к сплошному перекрытию. На рис. 7.60 показаны отдельные стадии развития разряда вплоть до возникновения пробоя. Предполагается, что возникает ограниченный более сухой участок (рис. 7.60,а). Электропроводность этого участка мала. Сверху и снизу от сухого участка плотность тока повышена, там имеет место более интенсивное выделение энергии, а следовательно, и более быстрое высыхание. Таким образом, сухая зона расширяется в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля (рис. 7.60,б), до тех пор, пока не охватит всю ширину изолятора или окружность в случае цилиндрического изолятора.
Эта узкая сухая полоска не способна выдержать все приложенное напряжение, и поэтому в ней происходит пробой, возникает локальное перекрытие с одной или несколькими дугами (рис. 7.60,в). В опорных точках дуг имеет место повышенная плотность тока, приводящая к быстрому высыханию этих участков, и, таким образом, сухая зона расширяется также в направлении силовых линий поля (рис. 7.60,г). При перемещении дуги, стремящейся преимущественно удерживаться на более сухих участках, происходит расширение сухой зоны до тех пор, пока не будет перекрыт дугой весь промежуток между электродами, т. е. пока не произойдет полный пробой, при этом для расширения сухой зоны и развития пробоя решающими факторами являются характеристики дуги. Описанное развитие пробоя может привести к полному пробою лишь в том случае, если в течение всех стадий дуга будет гореть стабильно, при этом целесообразно использовать простую схему замещения, в которой дуга последовательно соединяется с сопротивлениями остальных участков загрязнений, а на схему воздействует рабочее напряжение.
Рис. 7.61. Вольт-амперные характеристики дуги и последовательно соединенного сопротивления: 1, 2 — рабочие точки
Для свободно горящей дуги можно установить следующую простую закономерность. Рассмотрим элемент дуги dx. Подводимая мощность dPnw в любой момент времени равна отводимой мощности dΡοтв за счет тепловых процессов; добавочная мощность dW/dt дуги идет на повышение тепловой энергии дуги W. Запишем
Левая и правая части выражения (7.221) графически изображены на рис. 7.61. Возможны две рабочие точки, из которых стабильна только точка 1. На рисунке показано семейство прямых, соответствующих разным сопротивлениям слоя загрязнения. При определенном значении сопротивления дуга не может гореть стабильно, она гаснет, и пробой по загрязненному слою становится невозможным. Эти рассуждения отчетливо показывают, что при малой степени загрязнения невозможно развитие разряда вплоть до пробоя, даже несмотря на образование частичных дуг.
Рис. 7.62. Конструкция изолятора наружной установки
1 — ребра изолятора; 2 — тело; 3 — путь перекрытия
На рис. 7.62 показана конструкция изолятора наружной установки. Если слой загрязнения обладает достаточно высокой электропроводностью, на теле изолятора будет повышенная поверхностная плотность тока. Это приведет к более быстрому
высыханию в этом месте, что необходимо учитывать, так как при вертикальной подвеске изолятора можно ожидать здесь и меньшего загрязнения. Таким образом возникают многочисленные сухие зоны вдоль изолятора в суженных местах между ребрами, которые перекрываются последовательно соединенными частичными дугами. В опорной точке каждой дуги согласно рис. 7.60 имеется зона с повышенной плотностью тока. Эта зона вносит особый вклад в сопротивление слоя. Поэтому при образовании нескольких дуг сопротивление слоя особенно сильно повышается и затрудняется перекрытие изолятора.
Если рассмотреть разрез ребра (рис. 7.63), то проводимость цилиндрического элемента
Для районов с более сильным загрязнением необходимо выбирать и большое значение коэффициента формы. Отношение пути перекрытия l к длине изолятора lI (см. рис. 7.62), предназначенного для ра боты в нормальных условиях, равно приблизительно 2, а в тяжелых условиях оно возрастает до 3.
В районах с особенно сильным загрязнением на поверхность изоляторов наносится силиконовое покрытие, на котором вода собирается в отдельные капли, и тем самым сильно повышается сопротивление слоя загрязнения. Изоляторы без покрытия должны регулярно очищаться с помощью специальных моечных устройств.
