Напруга перекриття по поверхні твердого діелектрика

Наявність у газовому проміжку твердого діелектрика, що має контакт із електродами, характерна для багатьох електроізоляційних конструкцій (ізолятори, розпірки в кабелях і т.п.). Конструкція в цьому випадку розраховується таким чином, щоб пробій відбувався в газі, а не в твердому діелектрику, бо в другому випадку втрата електричної міцності при пробої є необоротною. Тому ізоляторам надають таку форму, щоб іскровий розряд проходив в шарі повітря вдалині від поверхні ізолятора (грибок, бочечка).

На питання, чи змінюється пробивна напруга газового проміжку при внесенні твердого діелектрика, експериментально була отримана відповідь, що зміна пробивної напруги газового проміжку спостерігається тоді, коли внесення твердого діелектрика супроводжується викривленням початкового розподілу поля зарядженими частинками на поверхні діелектрика.

Викривлення поля твердим діелектриком тим більше, чим більша вологість газу й чим більше діелектрична проникність діелектрика. Наприклад, при напрузі частотою 50 Гц збільшення відносної вологості з 60% до 90% знижує розрядну напругу для керамічних ізоляторів в 2 рази. Це зниження пов’язане, у першу чергу, із плівкою вологи на поверхні діелектрика, товщина якої збільшується з ростом зазначених факторів. Тому в однорідному полі при гарному контакті електродів з діелектриком і вологості не більше 10% викривлення розподілу поля незначне й пробивна напруга практично не змінюється (рис. 22).

1 – парафін; 2 – порцеляна; 3 – турбоніт; а – поліровані; b – матові; с – покриті

4 – парафін, порцеляна, турбоніт при діелектриком електроди

поганому контакті; 5 – повітря

Рис. 22. Залежність пробивної Рис. 23. Залежність пробивної напруги

напруги по поверхні діелектрика - по поверхні скла від відносної від довжини проміжку вологості електродів

З ростом відносної вологості на поверхні твердого діелектрика утворюється тонкий суцільний шар вологи, що має знижений опір. В результаті протікання підвищених поверхневих іонних струмів біля електродів накопичуються заряди, що викривляють поле й знижують пробивну напругу. Суцільна плівка води на поверхні твердого діелектрика може утворюватися тільки при досягненні певної вологості, тому зниження пробивної напруги відбувається в досить вузькому інтервалі величин вологості, що залежить від типу діелектрика й ступеня обробки поверхні. Через погану відтворюваність явища утворення суцільної плівки, експериментальні дані мають в області переходу велике розсіювання (рис. 23).

Максимум, що спостерігається при постійній і змінній (50 Гц) напрузі, у залежності пробивної напруги від відносної вологості (рис. 22)?, пов'язаний з вирівнювальною дією поверхневого заряду. Процес утворення поверхневого заряду досить інерційний, тому при напругах частотою понад 100 кГц пробивна напруга газового проміжку при наявності в ньому твердого діелектрика не залежить від відносної вологості й близька до пробивної напруги газу.

Викривлення розподілу поля в присутності зволоженого твердого діелектрика може бути пов'язане не тільки з нагромадженням поверхневих зарядів, але й з нерівномірністю підсихання поверхні, що приводить до утворення локальних областей з підвищеним опором.

Цей механізм є основним при перекритті твердих діелектриків по поверхні в умовах безперервного зволоження, коли розподіл поля вздовж поверхні визначається падінням напруги при протіканні струму витоку.

Якщо питома поверхнева провідність зволоженого діелектрика дорівнює d_п, то опір його на одиницю довжини поверхні t_п=(d_п П)^-1, а струм витоку

,

де d - довжина проміжку;

П- периметр діелектрика (рис. 24).

Рис. 24. Поширення часткової дужки при пробої по поверхні діелектрика.

(розшифровка числових значень)

Виділення теплоти, приводить до випаровування вологи з поверхні діелектрика. Випаровування відбувається нерівномірно через флуктуацію товщини плівки вологи, наявності забруднень поверхні й т.п. Опір підсушеної ділянки вищий, тому з урахуванням безперервності струму, на ньому виділяється більша частина потужності, що приводить до ще більш нерівномірного випаровування й до утворення, у кінцевому підсумку, сухих ділянок або смуг. Подальший розвиток процесу залежить від величини напруги, прикладеного до проміжку. Ця напруга у випадку утворення сухої смуги виявляється прикладеною до неї, тому можливо локальне перекриття діелектрика в сухій області. У цьому випадку струм витоку стає рівним

,??

де - опір витоку при повному зволоженні;

– опір каналу дужки, що перекрив суху смугу довжиною l, віднесений до одиниці довжини.

Якщо r_n>>r_д , то струм витоку стає нестабільним. Виникнення дужки приводить до росту струму витоку, ріст струму витоку - до зниження r_д. Випадкове збільшення довжини дужки l також супроводжується зростанням струму витоку. Тому, при r_n>>r_д дужка поширюється по всій поверхні діелектрика, і відбувається перекриття. Критичний струм витоку відповідає умові r_n=r_д й дорівнює , а напруга на проміжку при цьому відповідає пробивній

Рис. 25. Схема пробою по поверхні ізолятора.

Формула (12) може бути застосована до розрахунку напруг перекриття ізоляторів (рис. 25), якщо замінити в ній d на довжину шляху витоку L_у, d_п - на ефективну поверхневу провідність , а периметр П - на ефективний периметр П_е=pD_e , де , відповідно до рівнянь

Питання, пов’язані з частковими розрядами будуть розглянуті нижче.