Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Пробой вдоль поверхности на постоянном напряжении и при частоте 50...400 Гц

Поверхностные пробои вдоль изоляции могут происходить при испытаниях внешней изоляции высоковольтной конструкции или при перенапряжениях во время эксплуатации.
Испытания изделия производят повышенным напряжением того вида, при котором работает изоляция.
Механизм поверхностного пробоя определяется коэффициентом неравномерности электрического поля, состоянием поверхности диэлектрика, способом сопряжения диэлектрика с электродами, давлением и температурой окружающей среды, а также видом приложенного напряжения. Отмечается, что напряженность импульса Eпр обратно пропорциональна площади, поверхности диэлектрика и корню квадратному из длины межэлектродного промежутка, повышается при уменьшении продолжительности импульсов приложенного напряжения и монотонно снижается в интервале температур от — 40 до +80° С.
Напряжение поверхностного пробоя не зависит от давления в пределах от 0,65 до 1,3-10-3 Па и от материала электродов, но существенно зависит от их угла по отношению к поверхности диэлектрика, достигая максимального значения при угле 30..50°.
Как видно из сказанною, результаты проведенных в последние годы исследований практически не отличаются от уже известных данных.
Механизм поверхностного пробоя в основном определяется закономерностями, характерными и для пробоя воздуха. Процесс протекает по-разному в однородных и неоднородных полях.
Однородное электрическое поле характеризуется наличием только касательной составляющей. Экспериментальным путем такое поле можно обеспечить на поверхности образцов цилиндрической формы между электродами Роговского. Диаметр электродов превышает более чем в 5 раз диаметр образца (рис. 3.2,а).

На рис. 3.2,б и в приведены изоляторы с неоднородными электрическими полями, но на рис. 3.2,б преобладающее место занимает тангенциальная (касательная), а на рис. 3.2, в — нормальная составляющая напряженности электрического поля.

Рис. 3.3. Зависимость напряжения поверхностного пробоя от толщины керамического образца
1 — постоянное напряжение; 2 — напряжение частотой 50 Гц

Для рис. 3.2,а поверхность электрода и зона тройного сопряжения имеют повышенные зоны напряженности электрического поля. Пробой, как правило, происходит по поверхности изолятора.

Стримерные каналы в изоляторе, приведенном на рис. 3.2, а, имеют значительно большую емкость С по отношению к емкости противоположного длинного электрода. Протекающие токи утечки разогревают канал, и вблизи короткого электрода выделяется значительное количество теплоты, диэлектрик разогревается и разрушается. Разрядное напряжение конструкций с преобладающей нормальной составляющей напряженности поля объясняется удельной емкостью С поверхности изолятора, по которой развивается разряд к противоположному электроду, и может быть выражено зависимостьюгде k1 — постоянная; C1 — емкость единицы поверхности изолятора, по которой развивается разряд в направлении другого электрода.
Для плоских образцовгде d толщина диэлектрика; ε— диэлектрическая проницаемость; k2—постоянная.
На рис. 3.3 видно, что с повышением толщины диэлектрика, т. е. с уменьшением удельной поверхностной емкости, разрядное напряжение повышается. С повышением частоты разрядное напряжение снижается. Например с переходом от 50 к 400 Гц оно снижается на 10 ... 15%.
Поверхностные пробои могут возникнуть, когда оба электрода открыты (табл. 3.2, пп. 3 и 4) или когда один или оба электрода расположены внутри диэлектрика (пп. 1, 2, 4... 6). В последних вариантах разряд называется безэлектродным или емкостным.
При наличии одного открытого электрода свечение возникает на его краю (пп. 1 и 6), а при достаточно тонком слое диэлектрика — на поверхности (пп. 2 и 5). При начальном напряжении U0 по периметру диэлектрика вокруг цилиндрического электрода возникает слабое свечение, яркость которого по мере увеличения напряжения возрастает.
При большой толщине покрытия (2 мм и более) напряжение увеличивается и помимо свечения одновременно возникают отдельные скользящие разряды.

Таблица 3.2

При двух симметрично утопленных электродах (табл. 3.2, п. 2) начальное напряжение выше, чем в промежутке (π. 1). Связано это, видимо, с тем, что в образцах, изображенных в табл. 3.2, π. 1, между опорными точками поверхностного разряда емкостное сопротивление больше, чем в образцах п. 2.
Исследование картины электрического поля показало также большое значение напряженности Етах в образцах π. 1 по сравнению с напряженностью в образцах п. 2 при одинаковых напряжениях.
При внешних электродах опорных изоляторов напряжение поверхностною пробоя будет меньше, чем напряжение у аналогичных по размерам и форме изоляторов с внутренними электродами. Это помимо сказанного выше связано также с большей долей нормальной составляющей напряженности электрического поля и скоплением вблизи электродов частиц пыли и влаги.
Образованию максимальных напряженностей электрического поля будут способствовать участки загрязнения, неровности на поверхности диэлектрика и электродов, увлажнение и т. п. неоднородности.
Иллюстрацией влияния локальных повышений напряженности поля на разрядные характеристики может служить зависимость напряжения начала коронирования от чистоты обработки поверхности электродов. При обработке полированной поверхности шаровых электродов диаметром 10.. .15 мм наждачной шкуркой № 3 начальное напряжение коронирования понижается на 30%. Эффект шероховатости перестает сказываться на процессе поверхностного пробоя при чистоте обработки 3.2.
При эксплуатации в загрязненных (запыленных) помещениях и размещенных на морском побережье с возможным проникновением в помещение морского воздуха и тумана характеристики поверхностного разряда подвергаются изменениям.
Наличие сухой равномерно распределенной вдоль поверхности твердых диэлектриков грязи не изменяет начальные и разрядные напряжения по сравнению с чистыми поверхностями.
Увеличение влажности воздуха до 80% начинает практически сказываться только после трех часов воздействия, когда происходит снижение разрядных напряжений до 10%.
Увлажнение загрязненной поверхности или воздействие солевого тумана существенно снижает начальные и разрядные напряжения. При этом поверхностные пробои вызывают разрушение таких невлагостойких материалов, как гетинакс и стеклотекстолит.

Так, для промежутка 100 мм между цилиндрическими электродами диаметром 10 мм у эпоксидного компаунда по чистой поверхности или покрытой сухим загрязнением Un = 48,22 кВ, для слоя загрязнения в атмосфере пресного тумана U= 18,8 кВ, а для чистой поверхности в атмосфере соленого тумана U=17,02 кВ. Таким образом, результаты испытания изоляции в условиях морского тумана можно считать соответствующими разрядным характеристикам загрязненных образцов.
Сравнительные характеристики разрядных напряжений между цилиндрическими электродами вдоль эпоксидной поверхности в нормальных условиях и при соленом тумане приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3

Для коаксиальных электродов (табл. 3.2, п. 4) с наружным диаметром эпоксидной изоляции dBH=16 мм, с внутренним диаметром электрода dBH =6 мм и расстоянием от края внешнего электрода  150 мм разрядное напряжение в нормальных условиях составляло 52,9 кВ, а при соленом тумане — 17,02 кВ, т. е. в три раза ниже.
Как следует из приведенных данных, соленый туман снижает разрядные напряжения в 3... 6 раз по сравнению с напряжением в нормальных условиях, а разрядные градиенты в среднем составляют 0,14... 0,28 МВ/м.
При переходе к частотам 1 ... 2 кГц в нормальных условиях напряжение поверхностного пробоя мало отличается от значения Uпер для частоты 50 Гц. Однако резко возрастает влияние на напряжение поверхностного пробоя наличие пыли и неровностей на поверхности электродов и диэлектрика, а также увлажненных участков. Вследствие этого частичные и скользящие разряды возникают при более низких напряжениях, а треки образуются значительно быстрее, чем при промышленной частоте.
Поверхностный пробой при постоянном напряжении происходит при. значениях, в 1,5 раза больших, чем на переменном. Неровности и загрязнение диэлектрика отражаются на напряжении поверхностного пробоя в меньшей степени, чем наличие на поверхности диэлектрика влаги.
Пульсирующее напряжение характерно для высоковольтных выпрямителей и для оборудования, питающегося от них. Изменение пульсирующего напряжения поверхностного пробоя по сравнению с постоянным и при повышенной частоте можно определить, воспользовавшись данными, приведенными в табл. 3.4 (100 мм).
Пульсирующее напряжение рассматривается с учетом коэффициента пульсации kn·
На основании табличных данных можно сделать следующие выводы:

1. напряжение поверхностного пробоя в слабо неравномерных полях зависит от формы электрического поля;
2. значение коэффициента пульсации k незначительно отражается на напряжении поверхностного пробоя.

Исследования импульсного напряжения пробоя вдоль поверхности эпоксидного компаунда, щелочного стекла, фторопласта-4, фарфора, полиметилметилметакрилата и гетинакса производились в резко неравномерных электрических полях с преобладающей нормальной составляющей напряженности поля в системе электродов стержень—плоскость, кольцо—цилиндр и стержень — цилиндр при воздействии импульса косоугольной и прямоугольной формы с временем разряда от 6-10-7 с до 5· 10~ с [17].
Выявлено, что последовательность стадий разряда при поверхностном пробое твердых диэлектриков подобна пробою воздушных промежутков и состоит из стадий короны и лидерной, финального скачка, главной и дуговой стадии.

*   с увеличением крутизны импульса приложенного напряжения от 4 до 600 кВ/мкс напряжение начала скользящего разряда изменяется по закону Uс.к = kAn, где коэффициенты k и п также зависят от толщины и диэлектрической проницаемости материала; напряжение поверхностного пробоя при воздействии однополупериодного напряжения положительной полярности значительно выше, чем при f=50 Гц; напряжение поверхностного пробоя при воздействиях приложенного напряжения в течение 2,5-10-5... 10-4 с может быть в 2... 3 раза меньше, чем при постоянном напряжении;

Существенное влияние на параметры поверхностного разряда оказывают толщина и диэлектрическая проницаемость материала, которые, в основном, определяют пробивное напряжение:

1. поверхностные свойства диэлектрика, так же как и значения удельных поверхностных и объемных сопротивлений, не оказывают существенного влияния на напряжение поверхностного пробоя;
2. напряжение поверхностного пробоя слабо зависит от длины разрядного промежутка;

Рис. 3.4. Зависимость напряжения пробоя в воздухе и пробоя вдоль поверхности между электродами стержень—стержень от длительности импульса
1— в воздухе; 2 — вдоль поверхности компаунда ЭПК-4 с наполнителем; 3 — вдоль поверхности компаунда ЭПК-4 без наполнителя

1. с увеличением толщины или с уменьшением диэлектрической проницаемости материала напряжение поверхностного пробоя возрастает по логарифмическому закону;
2. при положительной полярности стержневого электрода напряжение поверхностного пробоя выше, чем при отрицательной, и слабо зависит от крутизны импульса приложенного напряжения;
3. напряжение поверхностного пробоя для исследованных систем электродов практически не зависит от геометрии разрядного промежутка.

Исследовался также пробой вдоль поверхности эпоксидного компаунда марки ЭЗК-4 на импульсах длительностью от 1 -10-7 до 2-10—5 с при электродах стержень—стержень, концы которых плотно прилегали к плоскости поверхности пробоя.
Как и следовало ожидать, испытания показали, что напряжение пробоя вдоль поверхности меньше значения пробоя воздушного промежутка (рис. 3.4). Разность напряжения поверхностного пробоя возрастает с уменьшением длительности импульса.
Из сравнения кривых на рис. 3.4 можно сделать вывод о положительном влиянии наполнителя на увеличение напряжения поверхностного пробоя особенно в области малых значений длительности импульса.