разряд по поверхности диэлектрика. 08 Разряд по поверхности. 8. электрические разряды по поверхности твердого диэлектрика
 Скачать 345 Kb.
|
8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА Цель работы: изучение характеристик разряда по поверхности твердого диэлек- трика в зависимости от конфигурации поля, расстояния между электродами и толщины диэлектрика. 1. Краткие сведения Необходимость изучения разрядов по поверхности твердого диэлектрика в воздухе связана с тем, что они обусловливают разрядные характеристики внеш- ней изоляции (опорных и проходных изоляторов). Напряжение разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в воздухе все- гда ниже разрядного напряжения воздушного промежутка такой же длины и кон- фигурации электрического поля. Величина напряжения поверхностного разряда определяется длиной разрядного канала, конфигурацией электрического поля в промежутке, электрофизическими характеристиками и состоянием поверхности твердого диэлектрика, температурой, давлением и влажностью воздуха. Все многообразие электрических полей изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям. 1. Однородное поле (рис. 1). Поверхность раздела двух ди- электрических сред расположена вдоль силовых линий электрического поля. 2. Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной со- ставляющей напряженности поля во всех точках поверх- ности диэлектрика (рис. 2, а). 3. Неоднородное поле с преобладанием нормальной состав- ляющей напряженности электрического поля (рис. 2, б). Диэлектрик, помещенный в однородное поле, нарушает его однородность и разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке. d l ВН d l ВН a б Рисунок 2 – Система электродов с преобладающей тангенциальной (а) и преобладающей нормальной (б) составляющей электрического поля Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбция ди- электриком влаги. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроско- пичностью (стекло, фарфор, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, полиэтилен, винипласт). Под действием приложенного к электродам напряжения диссоциированные ионы, содержащиеся в адсорбированной диэлектриком влаге, перераспределяются по поверхности диэлектрика, искажая градиент потенциала вдоль его поверхности. В результате разрядное напряжение уменьшается. l ВН Рисунок 1 – Систе- ма электродов с однородным полем 2 Кроме увлажнения поверхности диэлектрика, на величину разрядного напря- жения существенное влияние оказывают воздушные прослойки между диэлектри- ком и электродами. В этих прослойках из-за отличия диэлектрических проницае- мостей воздуха и твердого диэлектрика создается местное увеличение напряжен- ности поля и, возможно, возникновение ионизационных процессов. Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей (рис. 2, а) характерно для опорных изоляторов. Влияние гигроскопических свойств диэлек- трика на величину разрядных напряжений в этом случае будет меньшим, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля. Раз- ряд вдоль поверхности по мере увеличения приложенного напряжения проходит несколько стадий. 1. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения. 2. Увеличение напряжения приводит к расширению области коронирования и об- разованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. 3. При дальнейшем увеличении напряжения стримеры быстро удлиняются и про- исходит перекрытие промежутка между электродами. Конфигурация электрического поля с преобладанием нормальной составляю- щей напряженности (рис. 2, б) характерна для конструкции проходного изолято- ра. Неоднородность поля в межэлектродном промежутке в этом случае выше, чем в рассмотренных ранее конструкциях, а разрядные напряжения ниже. Развитие разряда вдоль поверхности проходных изоляторов с преобладанием нормальной составляющей электрического поля определяется величиной токов, текущих в стримерных каналах. В этом случае, после образования стримерных каналов при дальнейшем увеличении напряжения ток в них возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и выносом потенциала вглубь промежутка. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением напряжения и процесс завершается пере- крытием промежутка между электродами. Величина тока в стримерном канале определяется емкостью канала по отно- шению к противоположному электроду, которая в случае проходного изолятора в значительной степени зависит от толщины стенок изолятора и диэлектрической проницаемости материала изолятора. Очевидно, что чем выше емкость, тем больше ток, протекающий по каналу на зарядку этой емкости, быстрее растет длина скользящего разряда и ниже напряжение разряда по поверхности. Для приближенного расчета напряжения перекрытия можно использовать следующие эмпирические выражения. Действующее значение напряжения перекрытия промежутка с преобладающей тангенциальной составляющей напряженности электрического поля описывается выражением п.т. U A B l , кВ, где l – длина разрядного промежутка, см; U п.т. – напряжение перекрытия, кВ. 3 Напряжение начала скользящих разрядов в промежутке с преобладающей нормальной составляющей напряженности электрического поля описывается вы- ражением 0,45 ск d U K , кВ, где – относительная диэлектрическая проницаемость (для стекла = 6); d – тол- щина диэлектрика, см. Разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика в поле с преоб- ладающей нормальной составляющей напряженности для плоского диэлектрика описывается выражением 0,45 0,2 п.н. d U K l , кВ. Для увеличения разрядного напряжения по поверхности изолятора применяют малогигроскопичные диэлектрики или покрытие (глазуровка) изолятора малогиг- роскопичными материалами, полупроводящие покрытия, цементную заделку или эластичные прокладки в местах сопряжений металл—диэлектрик, экранирование и ребристую поверхность изолятора. 3. Порядок работы 1. Собрать электрическую схему для исследования разрядных напряжений вдоль поверхности твердого диэлектрика на переменном напряжении (рис. 3). AТ R защ Т S 1 S 2 S 3 220 В U Пульт управления A R д R 1 R 2 М d l Светозащитный кожух Рисунок 3 – Электрическая схема установки для исследования разрядных напряжений вдоль поверхности диэлектрика на переменном напряжении: АТ – автотрансформатор; Т – высоковольтный трансформатор; R защ – за- щитное сопротивление; U – вольтметр; А – микроамперметр; R д – доба- вочное сопротивление; R 1 , R 2 – делитель напряжения; S 1 – пакетный вы- ключатель; S 2 – кнопка «Вкл.»; S 3 – кнопка «Выкл.»; М – электродвигатель 2. Определить напряжение появления короны U к и напряжение перекрытия U п промежутков с преобладанием тангенциальной составляющей электрического поля для 4–6 значений межэлектродного расстояния l. В качестве диэлектрика использовать силикатное стекло. Результаты занести в табл. 1. 3. Определить напряжение появления короны U к , скользящих разрядов U ск и напряжение перекрытия U п для 4–6 значений межэлектродного расстояния l в промежутке с преобладанием нормальной составляющей электрического поля. 4 Результаты занести в табл. 1. Опыт провести для изоляции с различной удель- ной емкостью изоляции, для чего изменять толщину диэлектрика d. Таблица 1. Разрядные напряжения вдоль поверхности твердого диэлектрика l, см d, см U к , кВ U ск. ,кВ U п , кВ Конфигурация электрического поля 1 2 3 ср. 1 2 3 ср. 1 2 3 ср. – – Преобладает тангенциальная составляющая – – – – – – – – – – Преобладает нормальная составляющая Преобладает нормальная составляющая 3. Содержание отчета 1. Привести цель работы, сущность изучаемого явления, электрическую схему установки (рисовать самостоятельно), порядок проведения эксперимента, ре- зультаты измерений и проведенных расчетов. 2. Построить на одном графике зависимости напряжения зажигания короны, скользящих разрядов и перекрытия от расстояния между электродами. 3. Описать влияние конфигурации поля, расстояния между электродами и емко- сти изоляции на разрядные напряжения. 4. Контрольные вопросы 1. По каким причинам происходит искажение электрического поля при помеще- нии диэлектрика в однородное поле? 2. Какое влияние оказывает неплотное прилегание электродов на разрядное напряжение вдоль поверхности диэлектриков? 3. Для каких изоляционных конструкций характерно поле с преобладающей тан- генциальной составляющей, для каких конструкций – с нормальной? 4. Какова последовательность развития разряда вдоль поверхности твердого ди- электрика? 5. Что делается в реальных условиях работы изоляции для увеличения разрядных напряжений по поверхности изоляторов? |