Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика

Любая изоляционная конструкция имеет участки, в которых твёр­дый диэлектрик граничит с газовым, в частности с атмосферой. На этой границе разряд может происходить в самом твёрдом диэлектрике или в газовом слое, прилегающем к твёрдому диэлектрику. Последний вид разряда в газах выделен не вследствие специфики механизма раз­ряда, а из-за особенностей создания условий его возникновения. Как правило, введение в воздушный промежуток поверхности твёрдого ди­электрика приводит к снижению разрядного напряжения. Важные осо­бенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций, изображённых на рисунке 4.33.

Рисунок 4.33 – Характерные конструкции воздушных промежутков с твёрдым диэлектриком

Конструкция с однородным электрическим полем приведена на рисунке 4.33, а  встречается редко в реальных условиях. Конструкции с резконеоднородными полями, показанные на рисунке 4.33, б, в, пред­ставляют собой простейшие опорный и проходной изоляторы и встре­чаются часто в других изоляционных конструкциях.

В опорном изоляторе преобладает тангенциальная составляющая напряжённости, направленная вдоль поверхности, а в проходном изоляторе преобладает нормальная составляющая напряжённости у по­верхности твёрдого диэлектрика.

В однородном поле разряд развивается вдоль поверхности ди­электрика при напряжении более низком, чем в чисто воздушном про­межутке. Одной из причин этого снижения является гигроскопичность изоляционных материалов, приводящая к образованию на их поверх­ности микроскопически тонкого слоя влаги. Материалы, обладающие высокой гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопические материалы (винипласт, парафин). Снижение электрической прочно­сти при постоянном и переменном (50 Гц) напряжении больше, чем при импульсах. Это свидетельствует об относительно медленном раз­витии влияющего процесса. Последний заключается в том, что адсор­бированная поверхностью диэлектрика влага содержит свободные ио­ны обоих знаков, которые в электрическом поле смещаются, образуя объёмные заряды. При этом поле в середине промежутка ослабляется, а вблизи электродов усиливается, что и приводит к снижению разряд­ного напряжения. При коротких импульсах и высокой частоте сме­ститься успевает малое число ионов, электрическое поле искажается слабо и разрядное напряжение снижается незначительно.

Второй причиной снижения разрядного напряжения может явить­ся ионизация в воздушных прослойках, образующихся при неплотном прилегании электродов к торцам диэлектрика. Исключение воздушных прослоек в изолированных конструкциях достигается тщательным со­единением электродов с изолятором с помощью цемента, обладающего высокой механической прочностью, плотностью и достаточной элек­тропроводностью, либо с помощью мягких прокладок или металлиза­ции поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.

В конструкциях опорного и проходного изоляторов электриче­ское поле резконеоднородное, поэтому у них разрядное напряжение при равных прочих условиях ниже, чем у конструкций изоляторов с однородным полем. Однако в этом случае гигроскопические свойства диэлектрика намного меньше влияют на разрядные напряжения, чем в однородном поле.

Рассмотрим механизм разряда в резконеоднородном поле на при­мере проходного изолятора. В этой конструкции напряжённость элек­трического поля у края короткого электрода имеет наибольшее значе­ние. Поэтому в этом месте при относительно небольшом напряжении возникает корона, которая наблюдается в виде полоски неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширя­ется, и возникают стримеры.

При относительно небольших толщах твёрдого диэлектрика ка­налы стримеров, развивающиеся вдоль поверхности, имеют доста­точно большую ёмкость по отношению к противоположному элек­троду, поэтому через них проходит сравнительно большой ток.

При определённом напряжении ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов увеличивается и в них возможна термическая ионизация, и разряд переходит в лидерную форму. В результате этого каналы преобразуются: сопротивление их резко пада­ет, интенсивность свечения возрастает. Эти преобразованные каналы получили название скользящих разрядов.

Падение напряжения на каналах невелико, поэтому длина их рез­ко увеличивается с ростом приложенного напряжения и процесс за­вершается полным перекрытием промежутка.

Поверхностное разрядное напряжение повышают, сделав поверх­ность изолятора ребристой (рисунок 4.34, б). Особенно эффективны реб­ра вблизи электродов, где напряжённость поля максимальная. При на­личии рёбер разряд может частично развиваться по поверхности изоля­тора и частично по воздуху. Поэтому силовая дуга, следующая за им­пульсным перекрытием, не соприкасается и не обжигает часть поверх­ности изолятора. Кроме того выравнивают электрическое поле вдоль поверхности изолятора, т.е. снижают продольные градиенты путём применения экранов, полупроводящих покрытий. Выравнивание поля может быть достигнуто также устройством коронирующего электрода, присоединяемого к электроду под напряжением. Коронирование ведёт к образованию вблизи электрода плазмы низкой проводимости, выполняющей роль полупроводящего покрытия вдоль поверхности изоля­тоpa. Такие устройства, однако, эффективны только при напряжении промышленной частоты и могут оказаться вредными при импульсных воздействиях.

Разряд по увлажнённой поверхности изолятора. Увлажнение поверхности изолятора может происходить в резуль­тате выпадения дождя, росы или при возникновении тумана. При воз­никновении плёнки влаги между электродами через неё протекает ток, обусловленный проводимостью плёнки (рисунок 4.35, а).

Рисунок 4.34 – Развитие разряда вдоль поверхности изолятора: 1,2 - электроды; 3 – стример

Рисунок 4.35 – Образование частичной дужки на увлажненной поверхности изолятора:

а) – по увлажнённой поверхности изолятора протекает ток утечки; б) – высушенная зона перекрыта частичной дугой

1,2 – электроды; 3 – водяная плёнка; 4 – частичная дуга

В местах с наибольшей плотностью тока утечки (у электрода с минимальным радиусом кривизны) происходит концентрированное выделение тепловой энергии и происходит подсушивание поверхности изолятора. Это вызывает резкое возрастание падения напряжения на подсушенном участке и его перекрытие (рисунок 4.35, б). При этом опорная точка дуги, имеющая весьма высокую температуру, распола­гается на краю водяной плёнки и перемещается по мере ее высушива­ния. Рассматриваемый механизм перекрытия носит тепловой характер и развивается относительно медленно (при длительном постоянном и переменном напряжениях).

Разрядное напряжение по поверхности изолятора при дожде на­зывают мокроразрядным напряжением (U _мр).

Разряд по загрязнённой поверхности изоляторов. Загрязнение поверхности изоляторов полупроводящими осадками является одной из главных причин перекрытия изоляторов при рабо­чем напряжении. Поэтому проблема выбора изоляции и профилактиче­ских мер в районах с загрязнённой атмосферой имеет важнейшее зна­чение в ТВН.

Загрязнение в сухом состоянии изоляторов обычно не снижает разрядное напряжение. Однако под действием влаги слой загрязнения приобретает ионную проводимость, которая гораздо выше проводимо­сти дождевой воды. Механизм разряда по загрязнённой поверхности аналогичен разряду по увлажнённой поверхности. Вследствие высокой проводимости загрязняющего слоя процесс разряда убыстряется тем интенсивнее, чем больше степень загрязнения изолятора.

Увлажнение слоя загрязнения происходит особенно интенсивно во время туманов, росы, моросящего дождя, таяния снега и гололёда. Весьма часты перекрытия изоляции в ранние утренние часы, когда при восходящем солнце на изоляторах выпадает роса. Поскольку перекры­тия происходят при загрязнениях и увлажнениях, говорят о грязеразрядном (U _{г p}) или влагоразрядном (U _{в p}) напряжениях изоляторов.

Особенно опасными для изоляции являются уносы котельных; химических, металлургических, цементных заводов; брызги морской воды и пыль почвы, содержащей соли. В крупных промышленных цен­трах и их предместьях атмосфера загрязнена продуктами отработки множества предприятий, тепловых станций и т.п.

В полевых условиях возникают загрязнения изоляции вследствие выветривания почвы, так называемые полевые загрязнения.

Меры, предотвращающие перекрытия по поверхности изоляторов вследствие их загрязнения. К числу таких мер относится, прежде всего, очищение атмосферы вблизи крупных промышленных центров (золоуловители, фильтры га­зов и т.п.). В местах с интенсивным загрязнением радикальным средст­вом борьбы с перекрытиями является переход на закрытые распреде­лительные устройства и кабельные линии.

На подстанциях, находящихся в зоне интенсивных загрязнений, обычно ведутся систематические очистки изоляции со снятием и без снятия напряжения (струей сжатого воздуха; струей воды высокого давления с устройствами отсекания). Для особо ответственных изоля­торов может быть использовано непрерывное дождевание слабыми струями воды.

Весьма эффективно применение на изоляторах гидрофобных по­крытий типа кремнийорганических паст. Твердые частицы оседают на такой пасте и не образуют сплошных проводящих мостиков при ув­лажнении поверхности. Недостатком таких паст является необходи­мость их смены каждые (3-6) месяцев.

В местах умеренного и интенсивного промышленного загрязне­ния вполне надежная работа изоляции обычно достигается доведением длин пути утечки тока до нормативов. Наиболее простой мерой явля­ется увеличение числа изоляторов; применение конструкций изоля­торов с увеличенным числом ребер (так называемые туманостойкие изоляторы); увеличенным вылетом рёбер, располагаемых так, чтобы защитить часть поверхности изолятора от оседания слоя загрязнения.