3. Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика
Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенно изменять условия, и даже механизм развития разряда. При этом величина разрядного напряжения, как правило, снижается и зависит уже не только от плотности воздуха и формы электрического поля, но ещё и от свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения её относительно силовых линий поля.
Для изучения общих закономерностей развития разрядов вдоль поверхностей твердого диэлектрика, необходимо для рационального конструирования изоляторов, используют простейшие изоляционные конструкции с однородными и резконеоднородными полями и с разным положением и состоянием поверхности твердого диэлектрика. Так, важнейшие особенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций, показанных на рис. 16 а-в. Первая из них – с однородным электрическим полем – редко встречается в реальных установках, однако удобна для изучения влияния ряда факторов на разрядное напряжение.
Конструкции с резконеоднородными полями по рис.16, б и в представляют собой соответственно простейшие опорный и проходной изоляторы и встречаются в других изоляционных конструкциях. Они различаются, прежде всего расположением поверхности относительно силовых линий поля. В конструкции, изображенной на рис.16, б, во всех точках поверхности твердого диэлектрика
Рис.16. Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком.
тангенциальная составляющая напряженности, направленная вдоль поверхности, преобладает над нормальной составляющей. В другом случае (рис.16, в), наоборот, нормальная составляющая напряженности у поверхности твердого диэлектрика больше тангенциальной. Кроме того, в этом случае канал разряда, развивающегося по поверхности, имеет значительно большую емкость относительно другого электрода, что существенно, влияет на разрядное напряжение. Специфический механизм развития вдоль смоченной дождем или загрязненной и увлажненной поверхности изолятора удобно изучать на конструкции по рис. 16, б с гладкой или сложной поверхностью твердого диэлектрика.
3.1. Разряд вдоль поверхности в однородном поле
В присутствии диэлектрика, расположенного, как показано на рис.16, а, электрическое поле, казалось бы, остается однородным. Поэтому естественно предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте, а разрядное напряжение будет таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако в воздухе разряд всегда развивается вдоль поверхности диэлектрика и при напряжении, более, низком, чем в чисто воздушном промежутке. Экспериментально установлено, что значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная на поверхности диэлектрика влага. Материалы, обладающие гигроскопичностью (стекло, бакелитовая бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (винипласт, парафин). При этом существенное значение имеет длительность воздействующего напряжения: снижение прочности при постоянном и переменном (50Гц) напряжениях больше, чем при импульсах, что свидетельствует об относительно медленном развитии влияющего процесса.
Дело в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит свободные ионы обоих знаков, которые в электрическом поле смещаются, образуя объемные разряды. При этом поле в середине промежутка ослабляется, а вблизи электродов усиливается, что и приводит к снижению разрядного напряжения. Объемный заряд больше при высокой проводимости по поверхности, обусловленной гигроскопичностью диэлектрика, и при длительном воздействии напряжения. При коротких импульсах и высокой частоте сместиться успевает малое число ионов, электрическое поле искажается слабо и разрядное напряжение снижается незначительно. Большое влияние на величину разрядного напряжения оказывает неплотное прилегание электродов к диэлектрику.
Из-за различия диэлектрических проницаемостей воздуха и диэлектрика в воздушных прослойках создается местное увеличение напряженности, и в них при сравнительно низком напряжении на промежутке начинаются ионизационные процессы. Образующиеся при этом ионы создают объемные заряды и искажают электрическое поле, а излучение из зоны ионизации способствует появлению начальных электронов.
В изоляционных конструкциях неплотное прилегание электрода к диэлектрику устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких прокладок или посредством металлизации поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.