8.3.2 Частичные разряды на переменном напряжении.

Если к испытуемому объекту приложено переменное синусоидальное на­пряжение u=U_msinωt, то при отсутствии ЧР напряжение на емкости включения также синусоидально и равно u_в=U_в.msinωt, где U_в.m - амплитуда напря­жения на включении

U_вm=U_m =U_mή (8.10)

где ή=С_д/(С_д+С_в).

В случае включения в виде прослойки толщиной ев, вытянутой поперек силовых линий поля,

Uвm=Um =Um (8.11)

При воздействии на испытуемый объект первого полупериода напряже­ния ЧР возникает тогда, когда напряжение на включении (емкость С_в на рис. 8.1) достигнет значения U_В.₃ (напряжения зажимания разряда во включении). При пробое напряжение на включении падает до U_в.г (напряжения гашения разряда во включении), при котором разряд гаснет.

После погасания разряда напряжение на включении начинает нарастать от значения U_в.г по кривой, соответствующей изменению приложенного напряжения, смещенной по вертикали на значение постоянной составляющей, возникшей вследствие появления зарядов на поверхности включения (на ем­кости С_в). Когда напряжение U_В на емкости С_В достигнет значения U_В.₃, про­цесс повторяется.

Следовательно, разряды в рассматриваемой области диэлектрика повто­ряются через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на С_в на ∆U_В = U_в.з - Uв.п. При прохождении напряжения через мак­симум включение находится под напряжением, значение которого лежит в интервале между U_в._з и U_в._г.,затем происходит уменьшение напряжения на включении до 0 и дальнейший рост до –U_в.з. В первом приближении можно принять, что при обеих полярностях пробивное напряжение включения оди­наковое. При достижении напряжением на включении значения -U_В.₃ проис­ходит пробой включения и процесс продолжается описанным выше образом (рис.8.5).

При таком механизме явления ЧР должны прекращаться при прохожде­нии напряжения через максимум и вновь возникать, когда напряжение на вы­водах испытуемого объекта достигнет значения U1 , соответствующего изме­нению напряжения на включении на U_в1 ~ U_в.з +U_в.г:

U1= (Uв.з+Uв.г)= (8.12)

В дальнейшем после возобновления ЧР разряды в рассматриваемой области диэлектрика, по-прежнему, повторяются через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на емкости С_в на ∆U_в или на выво­дах испытуемого объекта на ∆U=∆Uв/η.

Число разрядов во включении за один полупериод

n_чр= (8.13)

где U_п = U_в.п / η. При U_в.з≈ U_в.г и U_в.з /η= U_з = U_чр имеем

n_чр ≈ (8.14)

при U_в.п << U_в.з

n_чр ≈ (8.15)

При этом число разрядов во включении n_чр за 1 с будет

N_чр=2fn_чр, (8.16)

где f - частота приложенного напряжения.

Мощность ЧР Р_чр в одном включении мо­жет быть представлена в виде:

P_чр=W_чрn_чр=2f(С_д+С_в)(U_в.з+U_в.г)(U_вm-U_в.г) (8.17)

Если U_в.п ≈U_в.з то

P_чр=4f(С_д+С_в)U_в.з(U_вm-U_в.з)=4fС_дU_в.з(U_m-U_чр) (8.18)

Если U_в.п = 0, то

P_чр=2f(С_д+С_в)U_в.зU_вm = 2fС_дU_в.зU_m (8.19)

Из выражений (8.17)…(8.19) следует, что для одного включения или при фиксированном количестве одинаковых включений мощность ЧР линейно возрастает с ростом приложенного напряжения.

При U_в.з ≈ U_в.г, мощность ЧР может быть также представлена в следующем виде:

P_чр=q_чрU_чрn_чр=I_чрU_чр (8.20)

Соответственно при U_в._г << U_в.з,

P_чр=q_чрU_чрn_чр /2=I_чрU_чр /2 (8.21)

Мощность P_чр выделяемая в единичном включении, может быть также представлена в виде:

(8.22)

где u_i - мгновенное значение напряжения на диэлектрике в момент времени разряда с кажущимся зарядом q_чрi; n_чр - общее количество разрядов в единичном включении за полупериод Т/2.

При использовании формулы (8.21) необходимо учитывать знаки при q_чрi и u_i При U_в.з ≈ U_в.г имеем U»2U_чр .

P_чр=I_чрU_чр (8.23)

При U_в.г <<U_в.з

Р_чр=I_чрU_чр/2=2fq_чрU_m (8.24)

При напряжении, меньшем напряжения начальных ЧР зависимости n_чр(U) и I_чр(U) имеют вид ;

n_чр=n_чр0(U/U_н)^α1 =A₁U ^α1 =A₁E ^α1 (8.25)

I_чр (U)=I_чр0(U/U_н)^α2 =A₂U ^α1 =A₂E ^α1 (8.26)

где α₁=4U_н/σ_чр

n_чр0 и I_чр0- число ЧР и ток ЧР при напряжении U_н.Тогда:

P_чр=A₃E^α (8.27)

При переменном напряжении α=4..8, а при постоянном напряжении а=10..16 Эти формулы справедливы для ЧР с кажущимся зарядом q_чР=10^-15..10^-14Кл.

а1= n_чр0(U/U_н) (8.28)

При превышении некоторого порога напряжения в изоляции возникают ЧР с интенсивностью q_чр=10^-12..10^-11 Кл, которые представляют собой в слои­стой изоляции пробой прослоек жидкого диэлектрика (d_просл. = 10-100 мкм).

При дальнейшем повышении напряжения интенсивность ЧР в изоляци­онных конструкциях резко возрастает. Это может произойти вследствие из­менения физики развития ЧР (например, переход коронного разряда в сколь­зящий разряд по поверхности диэлектрика), либо в результате изменений в структуре диэлектрика, вследствие начальных ЧР (например, образование дендрита в твердой изоляции; пузырьков газа в изоляции пропитанной жидкими диэлектриками, вследствие их разложения).

Такие ЧР называются критическими и характеризуются q_чр ≈ 10^-10 Кл для конденсаторной изоляции, и q_чр≈ 10^-8.. 10^-7Kл - для аппаратной и кабельной изоляции.

Эти разряды, также как и начальные ЧР, имеют степенную зависимость характеристик от напряжения, однако показатель степени α лежит в пределах от 12 до 16.

На постоянном напряжении протекание ЧР имеет существенное отличие, заключающееся в том, что интенсивные ЧР типа критических имеют место только при включении напряжения или его быстром изменении во времени. При нормальном рабочем режиме интервал между отдельными ЧР во вклю­чении составляет секунды или десятки секунд, т. е. на несколько порядков больше, чем при напряжении промышленной частоты.

Изменение напряжения на образце при ЧР незначительно и составляет примерно ∆U=10^-3 В. Возникновение ЧР приводит к кратковременному снижению напряжения и столь же короткому всплеску тока во внешней цепи.