Лабораторная работа № 2 Электрический разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика Предварительные сведения

Разряд в газе или в жидком диэлектрике вдоль поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом. Разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика зависит от рода диэлектрика, состояния его поверхности и формы электрического поля в промежутке между электродами. Многообразие изоляционных конструкции с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям:

1. Диэлектрик в однородном поле.

2. Диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием танген­циальной составляющей напряженности поля.

3. Диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием нор­мальной составляющей напряженности поля.

На рис. 2—la показано размещение диэлектрика в однородном поле. Поверхность раздела диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий электрического поля. Диэлектрик, помещенный в однородном поле, казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка.

Рис. 2—1. Характерные случаи расположения твердого диэлектрика в электрическом поле: а - однородное поле: б - поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности; в - поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности: 1 - электроды; 2 – диэлектрик.

Но в действительности разряд происходит по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке, что объясняется влиянием воздушных прослоек между диэлектриком и электродом. Так как ε_в < ε_д , напряженность в воздушной прослойке выше средней напряженности промежутка. Возникает ионизация, частицы выходят на поверхность диэлектрика и способствуют развитию разряда.

Даже при плотном прилегании электродов к диэлектрику разрядное напряжение по поверхности остается более низким, чем в чисто воздушном промежутке, чему способствует адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большей поверхностной гигроскопичностью, например, стекло, бакелизиро-ванная бумага, дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы, например, парафин, винипласт.

Вследствие гигроскопичности материала в диэлектрике всегда существует некоторый поверхностный слой адсорбированной влаги, имеющий очень большое, но все же конечное сопротивление. Так как вода обладает ионной проводимостью, под действием электрического поля ионы начинают перемещаться к электродам. Движение ионов в микроскопически тонком поверхностном слое происходит весьма медленно.

В первую очередь на электроды уйдут заряды с непосредственно прилегающих к ним участков поверхности. В результате вблизи каждого электрода создается избыточное скопление ионов того же знака, что и заряд электрода, это усиливает поле вблизи электрода, и разрядное напряжение уменьшается. Так происходит при длительном воздействии напряжения, т. е. при постоянном или переменном напряжении. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.

В реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле, что используется для исследования характеристик разряда по поверхности диэлектрика при различной длительности приложения напряжения.

На рис. 2-1б, в показано расположение диэлектрика в конструкциях с неоднородным полем. В первом случае (рис. 2-1б), во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень мелких участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля E_t преобладает над нормальной составляющей E_n, во втором - (рис. 2-1в) нормальная составляющая много больше тангенциальной составляющей напряженности поля.

Расположение диэлектрика на рис. 2-1б характерно для опорных изоляторов. Электрическое поле в этой конструкции неравномерно. Гигроскопические свойства диэлектрика мало влияют на величину разрядного напряжения, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную неоднородность поля. Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно заземлен. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается, и разряд начинается с электрода, находящегося под высоким потенциалом.

В конструкции (рис. 2-1в), характерной для проходных изоляторов, у короткого электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется, и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. В конструкции (рис.2-1в) в отличие от конструкции (рис. 2-1б) стримерные каналы имеют значительно большую емкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно больший ток. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и становится возможной термическая ионизация. В результате сопротивление каналов разряда резко падает, интенсивность свечения возрастает. Такая форма стримерного разряда, при котором канал имеет высокую температуру, обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом. Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко вглубь промежутка. Ионизационный процесс захватывает все большую область. Длина, скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения, и, наконец, процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами. Чем больше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия. Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду.

При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее, чем больше величина этой емкости. Значит, при одинаковом расстоянии между электродами чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение по поверхности диэлектрика. В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Емкость C₁ обратно пропорциональна толщине диэлектрика:

C₁ = ε₁ / d (2.1)

где ε₁ — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика; d — толщина диэлектрика.

Емкость C₂ определяется по формуле

C₂ = K₁ ε₂ (2.2)

где ε₂ — диэлектрическая проницаемость воздуха.

Сопротивление ρ₁ определяется по формуле

ρ₁ = ρ_v d (2.3)

где ρ_v — удельное объемное сопротивление диэлектрика.

Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине диэлектрика, разрядное напряжение при постоянном расстоянии между электродами

U_p = k₂ d^m (2.4)

Если толщина диэлектрика постоянна, а расстояние между электродами изменяется, разрядное напряжение:

U_p = k₃ lⁿ (2.5)

В общем случае при переменных d и l

U_p = k₄ d^m lⁿ (2.6)

Множители K₁, K₂, K₃, K₄ и показатели степени m, n — постоянные величины для рассматриваемой изоляционной конструкции.

Рис.2–2. Схема замещения твердого диэлектрика в электрическом поле:

1–электроды; 2–диэлектрик; C₁–удельная поверхностная емкость; С₂–эквивалентная с учетом влияния других элементов, т.е. взаимная удельная емкость соседних поверхностей твердого диэлектрика относительно друг друга; ρ₁– сопротивление диэлектрика с единичной поверхностью; ρ₂–удельное поверхностное сопротивление диэлектрика.