Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком в электрических аппаратах может быть сведено к трем характерным случаям.

1. Размещение диэлектрика в однородном поле. Поверхность раздела диэлектрика в воздухе расположена вдоль силовых линий электрического поля (рис. 1А).

2. Размещение диэлектриков в конструкциях с неоднородным полем (рис. 1Б,В), причем в случае 1Б во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень малых его участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля преобладает над нормальной составляющей . В случае 1В - наоборот, нормальная составляющая много больше тангенциальной составляющей напряженности поля.

Рис. 1. Характерные расположения твердого диэлектрика в электрическом поле.

1 - электроды; 2 - диэлектрик.

В зависимости от формы электрического поля главное влияние на характер развития разряда и на величину разрядного напряжения оказывают различные факторы.

1, Диэлектрик, помещенный в однородное поле, (рис. 1А) казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако в действительности разряд всегда происходит по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

Значительная роль в снижении разрядного напряжения играет адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакелитовая бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).

Вместе с тем имеет значение длительность приложенного напряжения. Большее по сравнению с импульсными снижение прочности при постоянном и переменном напряжениях свидетельствует об относительно медленном развитии процесса пробоя.

Дело в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит диссоциированные ионы. В электрическом поле сравнительно медленно, из-за малой проводимости увлажненного слоя, происходит перераспределение зарядов по поверхности диэлектрика. Поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого величина разрядного напряжения уменьшается. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика, большое влияние на величину разрядного напряжения могут оказывать воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за разности в диэлектрической проницаемости диэлектрика и воздуха создается местное увеличение напряженности электрического поля и возникает ионизационный процесс. Продукты ионизации выходят на поверхность диэлектрика, что приводит к значительному (иногда вдвое и больше) снижению разрядного напряжения.

В реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле. Расположение диэлектрика, показанного на рис. 1А, чаще используется для исследования характеристик разряда по поверхности диэлектрика.

2. Расположение диэлектрика на рис. 1Б характерно для опорных изоляторов. Электрическое поле в этой конструкции неоднородно, поэтому разрядные напряжения ниже, чем в случае, показанном на рис. 1А.

Гигроскопические свойства диэлектрика в этом случае мало влияют на величину разрядных напряжений, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную неоднородность поля. Неплотное прилегание диэлектрика к электродам в реальных конструкциях обязательно устраняется с помощью цементирующих замазок или прокладок.

Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно бывает соединен с заземленными конструкциями, имеющими значительные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается, и разряд начинается с другого электрода (шапки), находящегося под высоким потенциалом. Уменьшение напряженности поля вблизи шапки посредством создания внутреннего экрана позволяет существенно увеличить разрядное напряжение изолятора.

3. В конструкции на рис. 1В, характерной для проходных изоляторов, у верхнего электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения.

При увеличении напряжения область коронирования расширяется и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода.

В рассматриваемой конструкции в отличие от других устройств стримерные каналы имеют значительно большую емкость по отношению к противоположному электроду. Вследствие этого через них проходит сравнительно большой ток (рис. 2).

Рис. 2. Развитие стримера в системе проходного изолятора.

При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и с них становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы разряда преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность свечения возрастает, Такая форма стримерного разряда, при которой канал имеет высокую температуру, обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом.

Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко в глубь промежутка. Ионизационный процесс захватывает все большую область. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения, и, наконец, процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами.

Чем больше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия.

Величина тока в свою очередь при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее, чем больше величина этой емкости. Очевидно, чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение, конечно, при постоянстве расстояния между электродами по поверхности диэлектрика.

В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине диэлектрика, разрядное напряжение может быть выражено как

(1)

При неизменной толщине и материале диэлектрика разрядное напряжение зависит от расстояния l между электродами по поверхности диэлектрика

(2)

В общем случае

(3)

В выражениях (1) - (3): - постоянные для рассматриваемой конструкции величины.

Описание испытательной установки

Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 3. Источником напряжения промышленной частоты служит испытательный трансформатор Тр на 100 кВ (действующее значение) типа ТВО-140/50 с параметрами:

- рабочее напряжение первичной обмотки однофазного переменного тока частотой 50 Гц -

- рабочее(амплитудное значение) напряжения вторичной обмотки -

- рабочий ток вторичной обмотки -

- потребляемая мощность не более - 5,5 кВА

- коэффициент трансформации - к т= 525

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема установки

напряжение обмотка ток диэлектрик

Напряжение Тр регулируется с помощью автотрансформатора АТР и на низковольтной стороне контролируется вольтметром V. Резистор R1 служит для защиты трансформатора от больших токов при перекрытии и пробое объекта испытаний ОБ.

Выключатель В1 служит для подачи напряжения на установку, выключатель (контактор) В2 предназначен для дистанционного включения и отключения высоковольтного трансформатора Тр, а рубильник Р - для создания видимого разрыва в цепи его питания. Высоковольтная часть установки (обведена пунктиром, рис. 3) расположена на испытательном поле, оборудованном системами защиты согласно требованиям ПТЭ и ПТБ электроустановок. Контроль напряжения на объекте испытаний выполняется киловольтметром kV, подключенным через делитель напряжения R2 - R3.

Объекты испытания

Разрядное напряжение по поверхности диэлектрика в однородном поле

Для изучения разрядных напряжений в однородном поле используется промежуток между двумя дисками, причем края верхнего диска закруглены для исключения высоких напряженности по краям диска (рис. 4). Нижний диск заземлен.

Рис. 4. Диэлектрик в однородном поле.

В промежуток помещаются диэлектрические цилиндры разной высоты L, сделанные из гигроскопического и малогигроскопического материалов.

Разрядное напряжение по поверхности диэлектрика в неоднородном поле

Разрядное напряжение по поверхности диэлектрика в неоднородном поле с преобладающей тангенциальной составляющей напряженности изучается на конструкции, показанной на рис. 5. Электроды представляют собой металлические кольца 1. В качестве твердого диэлектрика используется стеклянная трубка 2. Одно из колец служит одновременно для крепления стеклянной трубки к изолятору, другое может перемещаться по поверхности трубки, при этом изменяется расстояние L между электродами.

Рис. 5. Макет опорного изолятора

Влияние внутреннего экрана на разрядное напряжение изучается на опорных изоляторах, один из которого имеет внутренний экран (рис. 6).

Рис. 6. Опорные изоляторы с внутренним экраном Э (А) и без него (Б).

Поверхностный разряд в неоднородном поле с большой нормальной составляющей напряженности

Для изучения поверхностного разряда в неоднородном поле с большой нормальной составляющей напряженности внутрь стеклянной трубки 1 помещается металлическая трубка 2 таким образом, чтобы внутренний конец ее находился примерно посередине стеклянной трубки (рис. 7).

Рис. 7. Макет проходного изолятора.

Напряжение подается между кольцом 3 и металлической трубкой. Перемещая кольцо по поверхности стекла, можно изменять расстояние L между электродами. Удельная поверхностная емкость в этом устройстве не изменяется.

Влияние удельной поверхностной емкости на развитие разряда

Влияние удельной поверхностной емкости на развитие разряда изучается с помощью устройства, показанного на рис. 8. Электродами разрядного промежутка в этом устройстве служит полусфера ПС, на которую подается высокое напряжение, и заземленная металлическая пластина с круглым вырезом П1. Электроды прижаты к тонкому листу диэлектрика Д (стекло или гитенакс). Разрядное расстояние между электродами L = 20 см. Вторая заземленная металлическая пластина П2 может устанавливаться на разных расстояниях от поверхности диэлектрика, и служит для изменения удельной поверхностной емкости.

Рис. 8. Устройство для изучения влияния удельной поверхностной емкости на развитие разряда

Размещено на Allbest.ru