Разряд по поверхности твердого диэлектрика

В конструкции (рис. 1.30) напряженность электрического поля, определенная средствами COMSOL Multiphysics по расчетному эскизу (рис. 1.31) имеет наибольшее значение у края экрана (рис. 1.32). 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 толщинах твердого диэлектрика каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности, имеют достаточно большую емкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно большой ток. При определенном напряжении ток возрастает настолько, что в стримерных каналах становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы разряда преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность свечения возрастает. Эти преобразованные стримсрные каналы получили название «каналы скользящих разрядов».

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

Чем больше ток в канале разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, следовательно, длиннее скользящий разряд и ниже напряжение перекрытия.

Рис. 1.30. Кабель на ПО кВ, обработанный для укладки в соединительную муфту: 1 — токоведущая жила; 2 — полупроводящий слой; 3 — изоляция из сшитого полиэтилена; 4, 5,6 — экран; 7, 8, 9 — защитный слой.

Рис. 1.31. Расчетный эскиз.

Рис. 1.32. Распределение напряженности у края экрана по поверхности изоляции.

Ток. в свою очередь, определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение при неизменном расстоянии между электродами по поверхности диэлектрика. Таким образом, разрядное напряжение может оыть связано с емкостью канала по отношению к противоположному электроду.

В качестве величины, характеризующей емкость канала, используют удельную поверхностную емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

На основании экспериментальных исследований было получено эмпирическое выражение для напряжения возникновения скользящего разряда при промышленной частоте [3].

где С — емкость единицы поверхности диэлектрика в Ф/см" .

Условия, при которых возможны ионизационные процессы и тем более образование скользящих разрядов в изоляционных конструкциях энергетических установок при рабочем напряжении, недопустимы, особенно для органических диэлектриков, вследствие неблагоприятного воздействия на них повышенной температуры, коротковолнового излучения, а также химически активных продуктов разряда, образующихся в результате диссоциации и ионизации молекул газа (в воздухе озон, атомарный кислород, окислы азота). Указанные воздействия приводят к ускоренному старению, эрозии и образованию науглсрожснных дорожек (треков).

В качестве одной из мер по ограничению величины напряженности у края экрана (рис. 1.33) используется уменьшение удельной поверхностной емкости диэлектрика посредством увеличения толщины его изоляции у экрана, с которого обычно начинается разряд. При уменьшении поверхностной емкости в 1,5 раза напряженность поля уменьшается примерно во столько же раз (кривые 1 и 2, рис. 1.34). В качестве другой меры применяется регулирование электрического поля вдоль поверхности изоляции с помощью полупроводящих покрытий, которые в случае постоянного напряжения выравнивают поля и таким образом затрудняют образование скользящих разрядов.

В качестве третьей, наиболее эффективной меры является применение выравнивающего конуса из полупроводящей резины (рис. 1.35). При прочих равных условиях выравнивающий конус уменьшает напряженность электрического поля на краю экрана примерно в четыре раза (кривая 1 — при отсутствии конуса, кривая 3 — с конусом, рис. 1.34). На этом же рисунке приведена кривая 4 распределения напряженности электрического поля для чисто воздушного промежутка такой же конфигурации и длины. Видно, что даже при применении средств выравнивания напряженности поля напряженность на краю экрана в воздухе в два раза меньше, чем в рассматриваемой конструкции.

Рис. 1.34. Распределение напряженности электрического поля у края экрана кабеля.

На рис. 1.36 представлены картины силовых линий поля: 1 — для случая, когда выравнивающий конус отсутствует, и 2 — при наличии выравнивающего конуса.

Видно, что в первом случае силовые линии более густые, и угол входа в изоляцию далек от 90°, в то время как во втором случае их меньше, и угол приближается к 90°.

Рис. 1.35. Конец кабеля с устройством для выравнивания напряженности поля.

Рис. 1.36. Силовые линии электрического поля у края экрана.

Рис. 1.37. Изолятор на класс напряжения 6 кВ (а) и распределение напряжения по кривой, образующей тело изолятора (б).

В конструкции (рис. 1.37, а) электрическое поле неоднородно, и поэтому у нее разрядное напряжение при прочих равных условиях ниже, чем у конструкции с однородным полем. Однако в этом случае гигроскопические свойства диэлектрика влияют на разрядные напряжения много меньше, чем в однородном поле, так как процессы в адсорбированной на поверхности диэлектрика влаге могут лишь немного увеличить и без того значительную неоднородность поля. Для увеличения разрядных напряжений применяют ребра, которые уменьшают напряжение, приходящееся на 1/3 верхней часть изолятора, где, как правило, и начинается развитие разряда при положительной полярности приложенного напряжения. Так, например, для данной конструкции изолятора без ребра это напряжение составляло бы 2,6 кВ. а при их наличии — 2 кВ (рис. 1.37, б: 1 — без ребра; 2 — с ребром), т. е. напряжение уменьшается на 30%.