Розряд уздовж поверхні твердого діелектрика - студопедія
В теорії газового розряду важливе значення має розряд в повітрі уздовж поверхні твердого діелектрика.
У високовольтних пристроях практично неминуче сов-місцеве використання газоподібних і твердих діелектриків. Уздовж поверхні їх розділу за певних умов можуть створюватися можливості виникнення ковзаючого разрядаілі розряду по поверхностідіелектріка. Скользящий розряд у формі іскри може перекрити відстань між електродами по поверх-ності діелектрика і при достатній потужності джерела пита-ня завершитися дуговим розрядом. Канали іскрового і тим більше дугового розрядів мають високу температуру (тисячі градусів); під впливом нагріву може відбутися руйнування діелектрика. Попередження небезпеки виникнення розряду поповерхності представляє одну з істотних завдань при конструюванні ізоляційних пристроїв.
Типові розташування електродів, що використовуються при изу-ченіі особливостей розвитку змінного розряду, представлені на рис. 1.
Розташування на рис. 1, а в практичному виконанні зустрічається рідше, ніж два інших, проте його дослідження дало можливість виявити закономірності, що дозволили зробити ряд цінних висновків про фізичні процеси, що супроводжують роз-витку розряду.
Розташування, представлені на рис. 1, б і в, характерні для ізоляційних конструкцій з неоднороднимполем, зустрічаю-щихся в ізоляторостроеніі (опорні і прохідні ізолятори). При цьому в схемі рис. 1б переважаюче значення мають нормальні складові напружений-ності поля до поверхні діелектрика, в схемі рис. 1в - тангенціальні складові напруженості.
Мал. 1. Типові картини електріческогополя при дослідженні умов розвитку змінного розряду. 1 - електроди; 2 - діелектрик.
Розвиток розряду по поверхні твердого діелектрика полегшується під впливом ряду обставин. До них відносяться: конденсація вологи на поверхні діелектрика, особливо в разі гігроскопічних діелектриків, де вона утворює провідну тонку плівку; наявність на поверхні розчинних солей і інших забруднення-ний, що підвищують провідність цієї плівки.
Внаслідок шорсткості діелектрика між його торцем і поверхнею електрода нерідко є мікроскопічні зазори. Два елементи діелектриків з різко різними діелектричними проницаемостями (EВ повітря дорівнює одиниці, Eд твердого діелек-трику, як правило, більше трьох) виявляютьсявключеними послідовно; напруженість в повітряному прошарку може перевищити початкову, і тоді повітряне включення іонізующей-ється. Мікроскопічні нерівності і тріщини на поверхні також можуть бути причиною подібних явищ.
1. Ізолюючий матеріал розташований в рівномірному електричному полі так, що його бічна поверхня паралельна лініям поля (рис.2 а, б). В даному випадку як прикладом може бути опорний ізолятор. Умовно можна уявити його, як об'єкт - діелектрик розташований в електричному полі (створюваного електродами площину - площину) силові лінії якого паралельні поверхні ізоляційного матеріалу. Еквівалентна розрахункова схема представлена на малюнку 2 б.
Зазначена конструкція являє собою багатошаровий конденсатор. Припустимо, що повітряний зазор
Мал. 2 б. зосереджений біля одного з електродів і має ширину 2 # 948 ;.
Напруга, прикладена до такого конденсатору, розподілиться обернено пропорційно ємності шарів. Позначимо індексом "в" величини, що відносяться до повітряному прошарку, індексом "т" - до твердого діелектрика. Тоді прикладена напруга розподілиться:
Ємність шарів визначається з виразів:
Св =. Ст =. якщо а >> 2 # 948 ;. то
Тоді: ≈. Uт = Uв ·.
З іншого боку, Uв = U - Uт ≈ U - Uв ·
Звідки напруга припадає на повітряний прошарок, буде визначаться виразом: Uв ≈ U.
Якщо а >> 2 # 948 ;, то Uв ≈ U · # 949 ;. а напруженість електричного поля:
Таким чином, у вузькому щелевом зазорі між твердим ізолюючим матеріалом і електродом напруженість електричного поля зростає в # 949; раз. Продукти іонізації, витікаючи з вузьких щілин різко посилюють ударну іонізацію уздовж бічної поверхні твердого діелектрика, тому напруга перекриття виявляється значно менше, ніж пробивна напруга повітряного проміжку без присутності твердого діелектрика.
2. Діелектрик розташований в різко неоднорідному електричному полі (Рис. 3)
так, що його дотична складова напруженості електричного поля Е # 964; на більшій частині бічної поверхні переважає над нормальною ЕN малюнок 3.
Оскільки в даному випадку між електродами утворюється різко нерівномірний поле з яскраво вираженими осередками іонізації, напруга перекриття виявиться значно меншим, ніж у першому випадку.
Однак якщо зіставити напругу перекриття повітряного проміжку того ж відстані і тими ж електродами, то різниця в напрузі буде дуже мала. Пов'язано це з тим, що в даному твердий діелектрик практично не впливає на процес іонізації газу. Утворені в осередках іонізації заряди як би ковзають уздовж поверхні твердого діелектрика, так як лінії поля майже паралельні цій поверхні.
3. Діелектрик розташований в різко нерівномірний електричному полі
так, що по всій його поверхні нормальна складова напруженості електричного поля ЕN переважає над дотичній Е # 964; .
При поступовому збільшенні напруженості напруги в осередках іонізації можна спостерігати
Мал. 4. корону, яка охоплює дуже тонкий шар повітря в безпосередній близькості від поверхні твердого діелектрика. При візуальному спостереженні за цією стадією розряду створюється враження, що світяться голубувато - фіолетовим світлом нитки як би стеляться по поверхні діелектрика. Заряди, що утворюються в області коронування, підхоплюються силами поля і рухаються уздовж поверхні твердого матеріалу, притискаючись до нього нормальної складової поля. Рух зарядів з тертям викликає термоіонізація поверхні твердого діелектрика і веде до посилення коронного розряду. З області корони починають вириватися окремі слабо світяться нитки, довжина і яскравість світіння яких з підвищенням напруги зростають, і утворюють ковзаючі розряди. Після того, як ковзаючі розряди перемикаються електроди, настає перекриття по поверхні. Напруга перекриття для даного випадку має найменше значення з розглянутих вище способів розташування електродів і твердого діелектрика.
Для розрядів по поверхні зберігається загальна закономірність, чим вище ступінь нерівномірності поля, тим нижче UР. Корона виникає в місцях підвищеної Е, переходить в іскровий розряд, так званий ковзний розряд. Нормальна складова ЕN притискає ці розряди до поверхні, викликаючи її розігрів, термічну іонізацію з руйнуванням ізоляції, освітою провідного каналу і подальшим розвитком до перекриття.
Напруга появи ковзають розрядів може бути визначено за формулою:
Uск = 1,36 × 10 4 · С - 0,44,
де С - питома поверхнева ємність. Відповідно розрядна напруга:
,
де S - відстань між електродами
швидкість наростання напруги.
Підвищення розрядної напруги може бути досягнуто раціональним вибором форми ізоляції (ЕN має бути спрямована від поверхні діелектрика), збільшенням шляху розряду (ребра), поліпшенням поверхні д.е.н. (Глазурування, лак), ліквідацією місць концентрації Е (покриття напівпровідними пастами, фарбами), збільшенням товщини діелектрика. Ізолятори, що працюють на відкритому повітрі під час дощу, повинні виконуватися з сильно розвиненими ребрами, так як змочена поверхня має гарну провідність, і все напруга буде докладено до частин ізолятора, які залишилися сухими.
Великим недоліком ізоляційних конструкцій типу довгих ізоляторів, штанг або гірлянд є нерівномірний розподіл напруги по їх довжині, викликане наявністю ємності щодо дроти. Встановлено, що при 100% вологості (760 мм рт. Ст., 20 ° С) з твердим діелектриком 2в формі циліндра (рис. 1.а), поміщеним в однорідному полі, показали, що середнє значення розрядної напруги по поверхні (з урахуванням розкиду) практично збігається з пробивним напругою повітря для електродів стрижень-площина.
У неоднорідному полі для розвитку змінного розряду вирішальну роль відіграє характер розподілу напруженості електричного поля; викликані нею іонізаційні процеси, очевидно, повинні початися у електрода з малим радіусом кри-визна (гострого краю, канта і т. п). Найбільш сприятливі умови для розвитку змінного розряду представлені схемою рис. 1 б, з розгляду якої можливо встановити після-довність фаз розвитку розряду і основні його закономірний-ності. Схема заміщення такого розташування представлена на рис. 5. Між електродами А і В розташований плоский
Електрична схема заміщення розташування елек-Трод, показаних на рис. 3.9б.
діелектрик, що характеризується питомою ємністю с, віднесеної до одиниці його поверхні, питомим об'ємним опором витоку r, шунтувальним ємність з, і комплексним питомим опором z1. z2. zn по поверхні, розрахований-ним на одиницю довжини смужки L шириною в 1 см. У якісно-ном діелектрику r зазвичай су-громадської вище [z], внаслідок забруднень поверхні, кон-денсаціі вологи і т. п. Найбільш несприятливі обстоятельст-ва для роботи ізоляції за цією схемою виникають при змінюю-щемся напрузі - змін-ном і імпульсному, так як пре-володіє вплив на розвиток-тя змінного розряду ока-жут процеси в ємностях. При змінній напрузі на елек-Трод А і В у ланцюзі виникає струм, що протікає через все елементарні ємності С. За га-нирці опорів z1. z2. zn відбувається падіння напруги, поступово наростаюче в міру наближення до краю електрода А; там виникнуть високі напруженості поля і можуть початися іонізаційні процеси. Розгляд схеми рис. 5 дозволяє зробити наступний висновок: чим більше ємності Сі чим менше опору витоку r, тим більше струм, що протікає через ланцюжок паралельно вклю-чинних осередків (Сk. Рk), тим більшим буде падіння напруги на опорах z1. z2. zn; іонізація в повітрі поблизу електрода А почнеться вже при відносно малому напрузі, доданому до електродів. Змінюючи величину опору z1. z2. zn. можна впливати на розподіл напруги уздовж поверхні діелектрика і, зокрема, підвищити рівномірність його розподілу, якщо виконати умову z1 Візуальне спостереження розвитку розряду по поверхні по-зволяет відзначити наступні його фази: при початковому напруженні украя електрода Авознікает світіння в формі коротких прямих паралельних і щільно розташованих світних ниток-штрі-хов - при позитивному напівперіоді і в формі вузької світячи-щейся смуги - при негативному напівперіоді напруги. У міру підвищення напруги з коронирующего шару по по-поверхні діелектрика починають прориватися нестійкі іскри, довжина яких швидко збільшується зі зростанням напруги; в межі іскра по поверхні перекриває всю довжину діелектрика, дає ефект короткого замикання і переходить, при достатній потужності джерела енергії, в дугового розряд. Як перша, так і друга стадії розвитку змінного розряду можуть пошкодити поверхню діелектрика: іскра змінного розряду, маючи високу температуру каналу, обпікає діелектрик, залишає на ньому слід. Особливо небезпечний такий розряд для діелек-триків органічного походження, так як після припинення розряду на шляху іскри залишається обвуглений слід з підвищеною провідністю. Початкова стадія розряду також ушкоджує поверхню діелектрика, особливо при тривалому впливі напруги (окислення, розкладання і т. П.). Описані вище стійкі фази розряду по поверхні можна спостерігати при відстанях між електродами, що перевищують деяку мінімальну, залежне від товщини діелектрика і його електричних характеристик. Ця відстань не перевищує одиниць сантиметра; при менших рас-стояння відбувається повне перекриття проміжку по досяг-нии початкового напруги корони. При імпульсних напружених зі значною величиною dU / dt явища змінного розряду розвиваються вельми интен-пасивного, причому вирішальне значення в цих процесах мають ємність-ні струми. При довжинах іскри змінного розряду, що перевищують 10 - 20 см, подальше збільшення шляху змінного розряду в цих умовах дає щодо малі збільшення розрядної напруги. При постійній напрузі питомі ємності не впливають на процес розвитку змінного розряду, що залежить лише від схеми включення омических опорів і їх вели-чин. Досвід показує, що залежність розрядних напруг від відстані по поверхні між електродами близька до зави-ності пробивної напруги повітряного проміжку в різко неоднорідному полі. 1. У чому різниця між пробоєм твердого діелектрика і перекриттям його по поверхні? 2. Де виникають носії заряду і чому, при розвитку розряду по поверхні? 3. Назвіть варіанти характерного розташування діелектрика при виникненні розряду по поверхні? 4. Чим може бути досягнуто підвищення розрядної напруги? 5. Яка закономірність визначає величину розрядної напруги?