2. Defekty układu izolacyjnego próżniowej komory gaszeniowej

2. Defekty układu izolacyjnego próżniowej komory gaszeniowej

2. Defekty układu izolacyjnego próżniowej komory
gaszeniowej
2.1. Ulot z ostrza na elektrodzie wysokonapięciowej
(defekt 1)
Ulotem nazywa się wyładowania niezupełne w gazach, którym
towarzyszą efekty świetlne i akustyczne. Ze względu na podobieństwo
wyglądu tego rodzaju wyładowań do korony otaczającej powierzchnię
Słońca przy jego całkowitym zaćmieniu, są one nazywane również
koroną lub wyładowaniami koronowymi. Wyładowania ulotowe powstają
w wyniku jonizacji gazu w obszarze naprężanym elektrycznie w polu
niejednostajnym [38]. Wyładowania te występują przy napięciu znacznie
poniżej napięcia przeskoku. Mogą one utrzymywać się w układzie bardzo
długo i nie spowodować przeskoku.
Klasycznym układem izolacyjnym powietrznym o polu
niejednostajnym jest układ: elektroda ostrzowa – płyta. Wysokie napięcie
doprowadza się najczęściej do elektrody ostrzowej, utworzonej na
przykład przez pręt o pewnym zaokrągleniu. Wtedy płytę, którą
umieszcza się prostopadle do osi pręta, uziemia się. Największy wpływ
na rozwój wyładowań ulotowych ma natężenie pola elektrycznego w
obszarze największych naprężeń pola, tzn. przy elektrodzie ostrzowej
oraz kierunek przepływu ładunków w tym obszarze, a tym samym
biegunowość pręta. Przy obu biegunowościach pręta wyładowania
lokalne będą źródłem ładunku przestrzennego. Można rozróżnić tu dwa
przypadki:
- kiedy doprowadzone napięcie ma charakter udarowy, co oznacza, że
ładunek przestrzenny utrzymuje się przez cały czas doprowadzania
napięcia w miejscu swojego powstania, aż do ewentualnego
przeskoku,
- kiedy napięcie jest doprowadzane tak długo, że wytworzony ładunek
przestrzenny częściowo dociera do elektrody i przy danym quasi–
ustalonym napięciu wytwarza się między elektrodami pewna
równowaga w rozkładzie pola elektrycznego.
Pierwszy przypadek ma miejsce, gdy doprowadzane napięcie
udarowe niewiele przekracza napięcie przeskoku i jego czas do
półszczytu jest rzędu µs. W tych warunkach można pominąć już działanie
6
spływu i akumulacji ładunku przestrzennego jonów do elektrody. Drugi
przypadek zachodzi przy napięciu stałym, a również przy zmiennym
napięciu, jeśli częstotliwość zmian nie będzie zbyt duża w porównaniu
z prędkością poruszania się jonów w przerwie międzyelektrodowej.
Napięcie sieciowe o częstotliwości f=50 Hz dla rozpatrywanych zjawisk
można traktować jako wolnozmienne, a więc spełniające warunki, jakie
panują przy napięciu stałym.
Dla napięcia przemiennego zakłada się, że procesy jonizacyjne
prowadzące do przeskoku zachodzą w pobliżu wartości maksymalnej
sinusoidy napięcia [38, 81] dlatego zakres fazowy wyładowań
koronowych jest symetryczny wokół wartości szczytowej napięcia.
Ładunek tych wyładowań jest rzędu pikokulombów a prąd osiąga wartość
mikroamperów. Częstość impulsów ma szeroki zakres i wynosi od
pojedynczych impulsów na sekundę do nawet rzędu setek kiloherców
[15]. Rozkład częstościowo-amplitudowy ładunku impulsów jest zbliżony
do normalnego i wykazuje dużą stabilność ładunku impulsów wokół
wartości modalnej. Wzrostowi napięcia w układzie towarzyszy również
wzrost zakresu fazowego impulsów ale tylko dopóki U0<U<Ukr, gdzie
Ukr – napięcie krytyczne przejścia ulotu do formy bezimpulsowej.
Wzrostowi napięcia towarzyszy też zmniejszenie wartości ładunku
średniego niesionego przez generowane impulsy [16]. Liniowo do
przyłożonego napięcia wzrasta pierwiastek z mocy wyładowań [67].
Przy napięciu przemiennym ulot może występować w takich
samych formach jak przy napięciu stałym pod warunkiem, że jony
i elektrony wytworzone w czasie półokresu będą miały wystarczająco
dużo czasu na neutralizację lub spłynięcie. Stanie się to wtedy, gdy
odległość ładunku przestrzennego powstałych jonów dodatnich (jako
powolniejszych) od chwilowej katody jest nie większa niż droga, którą
mogą przebyć jony przed zmianą kierunku pola elektrycznego. Jest to
droga przebyta w czasie ćwierci okresu (T/4), opisana wzorem:
k + Em
x = ∫ k E m cos ωt dt =
,
ω
0
T/ 4
+
(2.1)
gdzie: k+ – ruchliwość jonów dodatnich,
Em – maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego
zmiennego sinusoidalnie,
ω = 2Πf; f – częstotliwość napięcia lub pola.
7
W powietrzu, dla napięcia przemiennego (50 Hz) w polu
jednostajnym, droga ta wynosi około 140 cm. W podobny sposób można
obliczyć maksymalną częstotliwość fmax, dla danego odstępu d, dla której
jeszcze nastąpi spływ ładunku do chwilowej katody:
k E
f =
2πd
+
m
.
(2.2)
max
Cały wygenerowany ładunek przestrzenny nie musi spłynąć do
chwilowej katody przed zmianą biegunowości, ponieważ w następnym
półokresie może on spłynąć w przeciwnym kierunku, co pokazano na
rysunku 2.1. Przyjmuje się, że w przerwie między elektrodami nie będzie
zalegał żaden ładunek przestrzenny wtedy, gdy ładunek ten będzie mógł
przebyć przerwę d w czasie nie dłuższym niż pół okresu (T/2).
Częstotliwość napięcia odpowiadająca temu warunkowi nazywa się
częstotliwością krytyczną fk i wynosi ona:
k E .
f =
πd
+
m
(2.3)
k
Jeśli częstotliwość napięcia zasilającego jest f < fmax to można
uznać, że warunki są bardzo podobne do tych, które panują przy napięciu
stałym. Natomiast dla fk>f>fmax można spodziewać się pewnego
obniżenia napięcia przeskoku, ponieważ dodatni ładunek przestrzenny,
który nie zdążył spłynąć przed zmianą biegunowości elektrod,
wzmacniając pole pierwotne, może nasilić rozwój nowej lawiny
elektronowej
startującej
w przeciwnym kierunku. Dla f>fk ładunek przestrzenny oscyluje między
elektrodami, a nowe lawiny wzmacniają go aż do wystąpienia przeskoku,
co powoduje znaczne zmniejszenie wartości napięcia przeskoku
w stosunku do napięcia stałego.
8
ωt
-
+
0
-
+
π/6
0
0
π/2
+
-
5π/6
+
-
π
+
-
7π/6
E=Em cos ωt
+ Em
+
3
Em
2
0
−
3
Em
2
− Em
−
3
Em
2
Rys. 2.1. Schematyczne przedstawienie ruchu dodatniego ładunku
przestrzennego pozostawionego przez pojedynczą lawinę startującą z obszaru
przy katodzie, w układzie płaskim (dla jasności rysunku zachowano niezmienny
kształt lawiny i pominięto dyfuzję). Po prawej stronie rysunku podane są kąty
fazowe oraz wartości natężenia pola elektrycznego w kolejnych chwilach [38]
Zjawiska ulotowe przy napięciu przemiennym różnią się zasadniczo
w
dodatniej
i
ujemnej
połówce
okresu
napięcia.
W zrozumieniu tych różnic mogą być bardzo pomocne opisy zjawiska
ulotu przy napięciu stałym dodatnim oraz ujemnym.
Na rysunku 2.2. przedstawiono przebieg zjawisk w układzie prętpłyta przy napięciu stałym dodatnim. Gdy narasta napięcie dodatnie,
pierwszym zauważalnym wyładowaniem są pojawiające się przejściowo,
bardzo słabo widoczne, lekko rozgałęzione włókna, zwane strimerami.
Częstość ich pojawiania się jest różna, a wartość prądu jest
proporcjonalna do ich długości. Bardzo krótki strimer bywa nazywany
wyładowaniem rozpryskowym (burst pulse). Przy dalszym zwiększaniu
napięcia strimery pojawiają się częściej, wyładowanie staje się samoistne
9
i zjawisko staje się ciągłe. Rozpoczyna się ustalone wyładowanie
jarzeniowe. Przylega ono ściśle do powierzchni anody stanowiąc bardzo
cienką świecącą warstwę. Towarzyszy temu nieprzerwany, ale ciągle
zmieniający się co do wartości prąd.
300
Przeskok iskrowy
250
r=1cm
U+ [kV]
Strimery przeskokowe
200
150
d
5
4
100
3
50
2
1
0
5
10
Wyładowania jarzeniowe
Strimery początkowe
Brak wyładowań
15
20
d [cm]
25
30
35
Rys. 2.2. Napięcie U różnych form wyładowań w funkcji odstępu elektrod d w
układzie pręt- płyta przy napięciu stałym dodatnim; zakreskowany został obszar
przejściowy; odcinek 1-2 krzywa przeskoku, 2-3 krzywa przeskoku lub przejścia
w wyładowanie jarzeniowe, 4-5 krzywa przejścia z wyładowania jarzeniowego w
przeskok, 1-4 krzywa przejścia z wyładowania jarzeniowego w przeskok –
przejścia wywołanego w sposób sztuczny przez zmniejszanie d [38]
Dalsze zwiększanie napięcia powoduje wzrost prądu oraz
zwiększanie się obszaru i intensywności warstwy świecącej, a następnie
nagłe pojawienie się silnych i bardzo jasnych strimerów, które wnikają
w przestrzeń międzyelektrodową daleko poza warstwę wyładowania
jarzeniowego. Towarzyszy im wyraźny trzask. Dalsze zwiększanie
napięcia powoduje przeskok.
10
Na rysunku 2.3. przedstawiono zjawiska ulotowe przy napięciu
stałym ujemnym.
Wyładowanie jarzeniowe
40
U- [kV]
30
Obszar przejściowy
Przeskok
20
Impulsy Trichela
10
0
1
2
3
d [cm]
4
5
Obszar ciemny (bez wyładowań)
Rys. 2.3. Zasadnicze rodzaje ulotu przy napięciu stałym ujemnym w układzie
ostrze-płyta dla promienia krzywizny ostrza r=60µm [38]
Kiedy od zera narasta napięcie ujemne, po przekroczeniu wartości
progowej można zaobserwować pojawienie się regularnie powtarzających
się impulsów prądowych, tzw. impulsów Trichela. Wskutek powstawania
i gromadzenia się jonów ujemnych przy czole rozwijającej się lawiny
następuje osłabienie pola elektrycznego i wyładowanie zostaje
przyhamowane. Po czasie wystarczającym na rozproszenie jonów
ujemnych następuje wzrost pola, ponowny rozwój wyładowania i znów
przyhamowanie. Procesowi temu towarzyszą właśnie impulsy Trichela.
Ich napięcie progowe niewiele zależy od odstępu między elektrodami
a występowanie warunkuje stan gazu (wilgoć, zanieczyszczenia) i stan
elektrod. W czystych gazach elektrododatnich impulsy te nie występują.
Częstość ich powstawania w innych gazach jest funkcją wymiarów
elektrod, wartości napięcia oraz czasu rozpraszania ładunku ujemnego
poza obszarem wyładowania [15].
11
Impulsy Trichela występują bardzo regularnie i mają niemal stałą
amplitudę. Również ich kształt niewiele się zmienia. Częstotliwość waha
się od ok. 2 kHz do kilku MHz w zależności od wartości napięcia [38].
Gdy podniesiemy napięcie tak wysoko, że przekraczamy już obszar
występowania impulsów Trichela, można zaobserwować jarzenie na
katodzie. Przejście w wyładowanie jarzeniowe następuje nagle, gdy
częstość impulsów Trichela osiągnie kilka MHz. Między tymi dwoma
rodzajami ulotu występuje dość szeroki obszar przejściowy. Oba rodzaje
wyładowań mogą też występować równocześnie, ale w różnych
miejscach przy powierzchni katody.
Opis zjawisk ulotowych przy napięciu przemiennym przedstawiono
na rysunku 2.4.
Napięcie początkowe:
strimerów przeskokowych
dodatniego wyładowania jarzeniowego
strimerów
początkowych
prąd ulotu
dodatniego
prąd ulotu
ujemnego
1
1 2 1
4
4
123 21
4 5
4
Napięcie
początkowe:
impulsów
Trichela
ujemnego wyładowania jarzeniowego
Rys. 2.4. Schematyczne przedstawienie występowania poszczególnych rodzajów
wyładowań przy napięciu sinusoidalnym, przy małych odstępach między
elektrodami, w dodatniej i ujemnej połowie półokresu; 1 – strimery początkowe,
2 – dodatnie wyładowanie jarzeniowe, 3 – strimery przeskokowe, 4 – impulsy
Trichela, 5 – ujemne wyładowanie jarzeniowe [38]
12
Jak widać, zjawiska występujące w dodatniej połówce sinusoidy
napięcia odpowiadają opisowi ulotu przy napięciu stałym dodatnim,
natomiast w ujemnej połówce sinusoidy napięcia mamy do czynienia ze
zjawiskami typowymi dla ulotu przy napięciu stałym ujemnym.
Podczas podnoszenia napięcia od zera wyładowania ulotowe
zapalają się najpierw dla ujemnej połowy sinusoidy napięcia [65].
Napięcie pojawienia się ulotu (U0) dla ujemnej polaryzacji w bardzo
małym stopniu zależy od odległości między elektrodami, natomiast dla
dodatniej polaryzacji elektrod można zaobserwować wyraźny wzrost U0
w funkcji odległości elektrod. Prąd średni wyładowań niezupełnych, dla
przerwy izolacyjnej powyżej kilkunastu mm, niewiele już zależy od
odległości między elektrodami [39].
Średni prąd wyładowań ulotowych ma wartość rzędu
mikroamperów i zależy między innymi od częstotliwości przyłożonego
napięcia. Podczas zmiany częstotliwości napięcia zasilającego z 50 Hz na
1 kHz można zaobserwować nawet czterokrotne zwiększenie prądu ulotu
[39].
Ładunek sumaryczny wyładowań ulotowych jest większy
w ujemnej połowie sinusoidy napięcia zasilającego [20], jednak prąd
i ładunek ulotu mają wyższe wartości w dodatniej połowie sinusoidy
napięcia. Częstość impulsów również jest większa dla dodatniej
polaryzacji elektrody ulotowej [1, 19].
Napięcie początkowe ulotu U0 rośnie ze wzrostem promienia
krzywizny ostrza, co wynika ze zmiany rozkładu pola elektrycznego.
Również długość ostrza ma wpływ na U0 – czym dłuższe ostrze, tym
napięcie początkowe ulotu jest niższe [27].
Przy odpowiednio wysokim napięciu następuje przeskok,
przeważnie przy szczytowej wartości dodatniej połowy sinusoidy
napięcia. Wynika to z tego, że w warunkach normalnych dodatnie
napięcie przeskoku jest mniejsze niż ujemne napięcie początkowe
wyładowania snopiącego strimerów ujemnych.
Rysunek 2.5. przedstawia występowanie różnych rodzajów
wyładowań przy napięciu przemiennym w funkcji napięcia i odstępu
elektrod [38].
Prąd wyładowań ulotowych zależy od składu chemicznego gazu
w którym ulot ma miejsce [86] oraz od warunków atmosferycznych.
Napięcie początkowe wyładowań niezupełnych spada w funkcji
wilgotności powietrza o kilka procent. Liczba wyładowań może
zmniejszyć się nawet kilkukrotnie dla zmiany wilgotności z 20 % do
13
80 %. Również prąd wyładowań ulega wtedy zmniejszeniu [1, 81].
Można także zauważyć niewielki wpływ temperatury powietrza, tzn.
wzrostowi temperatury towarzyszy niewielkie zwiększenie napięcia
początkowego oraz zwiększenie prądu ulotu. Ogólniej rzecz ujmując
można stwierdzić, że spadek gęstości powietrza powoduje spadek
napięcia początkowego wyładowań ulotowych [1, 4, 30], natomiast prąd
tych wyładowań w miarę spadku gęstości powietrza rośnie [2].
125
Umaks[V]
100
8
D
75
C
6
50
4
25
B
5
3
7
2
A
1
0
2,5
5
7,5
d [cm]
10
12,5
Rys. 2.5. Obszary wyładowań ulotowych i przeskoku przy napięciu przemiennym
(50Hz) w układzie kula o średnicy 0,8cm – płaszczyzna przy różnych odstępach
elektrod d w powietrzu; linia ciągła – ulot dodatni, linia przerywana – ulot
ujemny; 1 – przeskok bez ulotu, 2 – pojawienie się impulsów Trichela, 3 –
wystąpienie strimerów dodatnich, 4 – przejście strimerów dodatnich w przeskok,
5 – przejście strimerów dodatnich w wyładowanie jarzeniowe, 6 – przejście
ujemnego wyładowania jarzeniowego w przeskok, 7 – wystąpienie dodatniego
wyładowania jarzeniowego i ujemnego wyładowania snopiącego, 8 – przejście
z dodatniego wyładowania jarzeniowego w przeskok, A – obszar wolny od
jonizacji, B – obszar strimerów dodatnich i impulsów Trichela, C – obszar
dodatniego jarzenia i ujemnego snopienia, D – obszar przeskoku [38]
14
Należy także wspomnieć o wpływie na wyładowania ulotowe
wywieranym przez wiatr omywający elektrody. Z badań [52] wynika, że
dla ujemnej połowy sinusoidy napięcia zasilającego, ze wzrostem
prędkości wiatru od 0 do 12 m/s spada liczba impulsów na sekundę z
1900 do 1200, za to wartość szczytowa tych impulsów wzrasta ze 110 do
140 mV w stosowanym układzie pomiarowym.
Materiał z którego wykonane są elektrody wpływa w nieznacznym
stopniu na wartość prądu ulotu [1].
Podsumowując przegląd literaturowy dotyczący wyładowań
niezupełnych w powietrzu, można spodziewać się, że ulot
charakteryzować się będzie następującymi cechami, istotnymi
w procedurze rozpoznawania defektów:
- napięcie początkowe wyładowań ulotowych U0 w powietrzu wynosi
kilka – kilkanaście kilowoltów,
- zwiększenie krzywizny ostrza zmniejsza napięcie początkowe
wyładowań U0,
- zwiększenie odległości między elektrodami w niewielkim stopniu
wpływa na zwiększenie napięcia U0,
- prąd wyładowań jest rzędu mikroamperów,
- ładunek przenoszony przez impulsy wyładowań niezupełnych
w powietrzu zawiera się w przedziale wartości od kilku do kilkunastu
pikokulombów i wykazuje dużą koncentrację wokół jednej wartości,
- częstość wyładowań zawiera się w przedziale od pojedynczych
impulsów na sekundę do kilkuset tysięcy i zależy w dużym stopniu
od wartości napięcia,
- w miarę podnoszenia napięcia zasilającego, wyładowania ulotowe
pojawiają się najpierw podczas obecności ujemnej połowy sinusoidy
napięcia na ostrzu a w miarę wzrostu napięcia, pojawiają się też dla
dodatniej połowy sinusoidy,
- na rozkładzie fazowym wyładowania ulotowe lokują się w okolicy
maksymalnej wartości napięcia zasilającego a szerokość ich zakresu
fazowego rośnie wraz z napięciem,
- na wartość prądu ulotu mają niewielki wpływ zarówno warunki
atmosferyczne jak i materiał, z którego zbudowane są elektrody.
15
2.2. Wyładowania niezupełne zabrudzeniowe
na zewnętrznej powierzchni ceramicznej
osłony izolacyjnej (defekt 2)
Wyładowania niezupełne zabrudzeniowe zaliczane są do jednego
z rodzajów wyładowań powierzchniowych. Ich generowanie związane
jest z obecnością zanieczyszczeń, które osiadły na powierzchni izolatora.
W warunkach zabrudzeniowych rezystancja powierzchni izolatora
zmniejsza się tak bardzo, że płyną po jego powierzchni prądy upływu
oraz powstają wyładowania niezupełne, powodujące wyraźne efekty
termiczne. Mogą one spowodować przyspieszone starzenie cieplne
izolacji [63, 64]. Procesy te zmniejszają wytrzymałość elektryczną
izolatora tak bardzo, że przeskok może wystąpić już przy napięciu
roboczym. Ilustruje to rysunek 2.6.
W Polsce zanieczyszczenia emitowane są głównie przez przemysł
oraz tereny zurbanizowane. Ze względu na skład chemiczny
zanieczyszczeń można je podzielić na następujące rodzaje:
- elektrowniane – produkty odpadowe spalania węgla kamiennego lub
brunatnego, często bardzo zasiarczonego; jest to mieszanina
popiołów, sadzy, gazów oraz wody,
- metalurgiczne – powstające w hutach oraz niektórych zakładach
wydobywczych i przetwórczych; są mieszaniną cząstek stałych,
zwykle o dużej konduktywności, z produktami spalania i mogą im
towarzyszyć substancje ciekłe, niekiedy silnie przewodzące,
- chemiczne – powstające w wielu procesach przemysłowych i mogą
znajdować się we wszystkich stanach skupienia; ich charakter jest
kwaśny bądź zasadowy i przeważnie są bardzo agresywne
chemicznie,
- gazowe – powstające w większej części w procesach spalania; są to
głównie tlenki siarki i azotu które w atmosferze w połączeniu z
wilgocią doprowadzają do występowania zjawiska kwaśnych
deszczów,
- cementowe – powstające podczas produkcji, przeładunku i transportu
cementu oraz surowców wapiennych; ich grubość na izolatorze może
osiągnąć wartość nawet kilku milimetrów, co spowodowane jest
wiążącymi właściwościami cementu,
16
- komunikacyjne – głównie gazy wylotowe silników spalinowych
i kurz z poboczy dróg oraz, w mniejszej części, zanieczyszczenia
związane ze szlakami kolejowymi,
- urbanizacyjno–przemysłowe – emitowane na terenach uprzemysło–
wionych o zróżnicowanym przemyśle i gęstej zabudowie sprzed
kilkudziesięciu lat (przykładem takiego regionu jest Górny Śląsk);
w takich regionach duże ilości instalacji produkcyjnych
i grzewczych są opalane węglem, co powoduje stosunkowo silne
zanieczyszczenie powietrza na dużym obszarze.
Do obszarów o silnym zanieczyszczeniu atmosfery zalicza się
rejony najbardziej uprzemysłowione i zurbanizowane. Natomiast
najmniej zanieczyszczona atmosfera jest na obszarach leśnych
i rolniczych. Jednak i na tych terenach mogą pojawić się narażenia
zabrudzeniowe izolatorów z powodu dalekiego rozprzestrzeniania się
zanieczyszczeń gazowych, podczas rozsiewania nawozów sztucznych
[56].
160
U50 [kV]
120
a
80
b
40
0
0
20
40
60
80
100
γ s [µ S]
Rys. 2.6. Napięcie przeskoku izolatora w zależności od konduktywności
warstwy przewodzącej; a – izolator LPZS 75/12, b – izolator LP 72/12 [9]
Rozwój wyładowań na powierzchni zanieczyszczonej ma
specyficzny charakter. Zanieczyszczenia osiadające na izolatorze same w
sobie nie stanowią zagrożenia dla układu izolacyjnego (chyba, że mają
postać ciekłą i tworzą przez to warstwę przewodzącą). Dopiero
w połączeniu z wodą, pochodzącą z mgły, rosy lub deszczu, mogą
doprowadzić do przeskoku zabrudzeniowego [59].
17
Na wytrzymałość elektryczną izolacji ma wpływ nie tyle skład
chemiczny zanieczyszczeń, co ich przewodność. Wpływ przewodności na
wytrzymałość izolacji ilustruje rysunek 2.7. W zależności od wartości γz
wyodrębniono cztery strefy zabrudzeniowe. Ich konduktywność ma
kolejno wartości: I – 8 µS, II – 15 µS, III – 30 µS, IV – 50 µS [15].
Na wytrzymałość elektryczną izolacji negatywny wpływ ma
również nierównomierność osadzonych zabrudzeń [10].
Zasadnicze znaczenie dla rozwoju wyładowań zabrudzeniowych ma
czas. Ponieważ prąd płynący warstwą zabrudzoną osusza ją, prowadzi to
po pewnym czasie do zwiększenia wytrzymałości elektrycznej [15].
Zabrudzony izolator, już przy stosunkowo niewielkim zabrudzeniu,
charakteryzuje się wzmożoną jonizacją powierzchniową oraz
występowaniem wyładowań ulotowych. Spowodowane to jest dwoma
czynnikami: utratą gładkości powierzchni oraz wzrostem natężenia prądu
upływu. Ulot, jeżeli jest dostatecznie intensywny, może generować
zakłócenia radiowe [56].
120
U [kV]
90
60
30
0
0
10
20
30
40
50
γ s [µ S]
Rys. 2.7. Napięcie przeskoku izolatora długopniowego LP 75/14 w zależności od
jego przewodności powierzchniowej [15]
Prąd upływu Iu [mA] dla izolatora cylindrycznego, równomiernie
zabrudzonego, o długości drogi upływu au [cm] i średnicy D [cm] oblicza
się z zależności [15]:
18
Iu =
U U ⋅ Π ⋅ D ⋅ γs
=
,
Rz
au
(2.4)
gdzie: γs – przewodność powierzchniowa zabrudzeń w µS,
U – napięcie źródła w kV.
Gdy prąd upływu osiągnie wartość kilkudziesięciu mikroamperów
pojawiają się pierwsze dostrzegalne wyładowania. Są to wyładowania
zwane smużystymi bądź nitkowymi i powstają w rejonach powierzchni
o większej czystości lub bardziej suchych. Charakteryzują się one słabym
świeceniem o barwie fioletowej. Gęstość prądu w obszarze tych
wyładowań jest praktycznie stała, a poszczególne nitki nie mają tendencji
do łączenia się w kanały, dlatego też rozkład przestrzenny tych
wyładowań jest równomierny.
W pierwszej fazie wyładowań zabrudzeniowych, gdy powłoka
zabrudzeniowa jest praktycznie ciągła, nie można dostrzec zmniejszenia
wytrzymałości elektrycznej izolatora. Dopiero po pewnym czasie, w
miarę narastania intensywności wyładowań nitkowych, prąd wyładowań
zaczyna się koncentrować, a powłoka zabrudzeniowa traci swoją ciągłość.
Nitki wyładowań przekształcają się w kanaliki i wyładowania nabierają
charakteru iskrowego.
Prąd iskier jest rzędu od kilkuset mikroamperów do kilku
miliamperów, a barwa jaśniejsza niż to można było zaobserwować
podczas wyładowań nitkowych. W kanalikach iskier przeważają jony
dodatnie, ale jest też pewna liczba jonów ujemnych i elektronów
pochodzących z jonizacji zderzeniowej. Ponieważ do podtrzymania
jonizacji natężenie pola powinno być niewiele mniejsze od inicjującego
jonizację, a warstwa powietrza przy powierzchni izolatora jest jeszcze
stosunkowo słabo zjonizowania, to żywotność wyładowań iskrowych jest
krótka.
W miarę upływu czasu pierwotne nierównomierności warstwy
przewodzącej na izolacji się powiększają. Wynika to z tego, że
wydzielana moc – proporcjonalna do I2R – jest największa w obszarach
izolacji o mniejszej przewodności, czyli bardziej suchych. W efekcie
może dojść do podziału warstwy zabrudzeniowej na wąskie poprzeczne
pasy o stosunkowo dużej rezystancji i część pozostałą, która jest
wilgotna, a więc o stosunkowo dużej przewodności. Efektem takiego
zjawiska jest bardzo nierównomierny rozkład napięcia, w wyniku czego
19
nad suchymi fragmentami powierzchni może dojść do przekroczenia
wytrzymałości elektrycznej powietrza. Zapalają się tutaj iskry wyładowań
niezupełnych zwierające warstwę wysuszoną. Jeżeli rezystancja
pozostałej, przewodzącej części zabrudzenia jest wystarczająco duża, to
prąd tych wyładowań jest dość mały i nie przekracza kilkuset
mikroamperów. Natomiast gdy rezystancja przewodzącej części
zabrudzenia jest zbyt mała, to prąd wyładowań może osiągnąć wartość
nawet kilku miliamperów, a wyładowania mają postać niestabilnej iskry,
która może zapalać się i gasnąć wielokrotnie w czasie jednego półokresu
napięcia. Wyładowania te następują w wyniku jonizacji zderzeniowej,
gdyż faza plazmowa, będąca mieszaniną jonów dodatnich i elektronów,
jest dopiero na etapie powstawania.
W miarę wzrostu poziomu zabrudzenia izolatora następuje wzrost
natężenia prądu generowanych wyładowań niezupełnych – nawet do
poziomu przekraczającego kilkadziesiąt miliamperów. Przebieg
wyładowań przy zwiększaniu ilości zabrudzeń niewiele się zmienia,
jednak kanały tych wyładowań dzięki ich jonizacji termicznej,
spowodowanej pojawieniem się w kanałach znacznej ilości plazmy, stają
się dość stabilne. Zapłon łuku powtarza się w każdym półokresie
napięcia, a gaśnięcie następuje w pobliżu przejścia sinusoidy przez zero.
Wyładowania te mogą utrzymywać się nawet przez dziesiątki sekund,
przez co mogą termicznie oddziaływać na materiał izolatora. Warstwa
zabrudzeń nagrzewa się i wysycha – szczególnie w obszarach
bezpośrednio sąsiadujących z wyładowaniami. W miejscach tych
występuje duże natężenie pola, w wyniku czego rozwijają się procesy
jonizacyjne i rozpoczyna się wędrówka łuku. Łuk przesuwa się po
obwodzie izolatora, nad pasem powierzchni o wysokiej rezystancji. Stąd
pochodzi nazwa tej fazy wyładowań niezupełnych zabrudzeniowych: łuki
wędrujące poprzeczne [56].
Gdy stopień zabrudzenia izolatora jest jeszcze większy, to mogą
wystąpić dwa zjawiska: wzrost prądu wyładowań niezupełnych bądź
zwiększenie się długości iskier tych wyładowań.
Charakterystyka napięciowo–prądowa łuków zabrudzeniowych nie
jest liniowa. Sprawia to, że przy prądzie wyładowań rzędu kilkudziesięciu
miliamperów coraz łatwiej o ich intensyfikację. Spowodowane jest to
coraz większym prawdopodobieństwem sytuacji, gdy rezystancja łuku
jest mniejsza od odpowiadającej mu pod względem długości rezystancji
części przewodzącej. Prowadzi to do zwierania tej części izolatora przez
łuk z pominięciem etapu wysuszania powierzchni. Ta faza wyładowań
20
zabrudzeniowych nazywana jest łukiem wędrującym podłużnym
i bezpośrednio poprzedza przeskok zabrudzeniowy. Prąd tej fazy
wyładowań, w zależności od rodzaju zanieczyszczeń, konstrukcji
izolatora i jego wymiarów, jest z reguły większy od 100 mA a niekiedy
może nawet przekroczyć 1 A [56].
W materiałach ceramicznych, w celu zlikwidowania wyładowań
zabrudzeniowych, wystarczy powierzchnię izolatora oczyścić.
W materiałach organicznych może się to nie udać. Wyładowania
niezupełne, które występują na powierzchni takiego izolatora powodują
erozję powierzchni. Ślady po wyładowaniach są zwęglone i wykazują
hydrofilność, przez co zwiększają swoją przewodność. Są to ścieżki
przewodzące, podobne do śladów pełznych. Mogą się one pojawić nawet
przy braku oddziaływania pola elektrycznego [15].
Szczęśliwie dla elektroenergetyki większość zabrudzeń nie stanowi
bezpośredniego zagrożenia dla układu izolacyjnego i dopiero
w połączeniu z wilgocią mogą doprowadzić one do przeskoku
zabrudzeniowego. Dlatego izolatory napowietrzne zaopatrzone są
w klosze, których spodnia część jest osłonięta przed deszczem, a górna
część ulega podczas opadów samoistnemu oczyszczaniu.
W praktyce stosowane są również izolatory powlekane silikonem,
które potrafią wchłonąć zanieczyszczenia osiadające na ich powierzchni.
Zastosowanie
powłok
silikonowych
powoduje
zwiększenie
hydrofobowości izolacji, a co za tym idzie polepszenie wytrzymałości
elektrycznej takiego izolatora [79, 84].
Z punktu widzenia możliwości identyfikacji defektów komory
gaszeniowej wyłącznika próżniowego na podstawie analizy wyładowań
niezupełnych, ważne są następujące cechy wyładowań zabrudzeniowych:
- impulsy wyładowań zabrudzeniowych mają szeroki zakres wartości
prądu – od rzędu mikroamperów do nawet ponad 1 A,
- przy wystarczająco dużym stopniu zabrudzenia, wyładowania
zapalają się w każdym półokresie napięcia,
- im większy stopień zabrudzenia powierzchni izolatora, tym więcej
można zarejestrować wyładowań,
- gaśnięcie wyładowań następuje w pobliżu przejścia sinusoidy
napięcia przez zero.
21
2.3. Mikrowyładowania między stykami w komorze
gaszeniowej (defekt 3)
Mimo, że mikrowyładowania są jednym z rodzajów wyładowań
niezupełnych, to pojęcie mikrowyładowań odnosi się zwyczajowo tylko
do izolacji próżniowej (dla odróżnienia od wnz w izolacji gazowej,
ciekłej i stałej).
Zjawiska przedprzeskokowe, które występują w układzie
z izolacją próżniową, zasadniczo można podzielić na dwie grupy: prąd
elektronowej emisji polowej i mikrowyładowania. Występowanie
obu
tych zjawisk jest zdeterminowane odległością między elektrodami: dla
małych odległości (od 1–2 mm) występuje prąd elektronowej emisji
polowej, natomiast dla odległości powyżej 10 mm występują już tylko
mikrowyładowania. Odległości pośrednie charakteryzują się oddzielnym
bądź łącznym działaniem obu zjawisk, przy czym impulsy prądu
mikrowyładowań mogą nakładać się wtedy na quasiustalony prąd
elektronowej emisji polowej [83].
Ponieważ temat pracy nie uwzględnia pomiarów elektronowej
emisji polowej, która dla znamionowej odległości elektrod w obiekcie
badań praktycznie nie zachodzi, nie uwzględniono studiów literaturowych
dotyczących tego zjawiska, poza niezbędnymi, bezpośrednio związanymi
z mikrowyładowaniami.
Mikrowyładowania definiuje się jako samogasnące, małomocowe
impulsy prądowe, które powtarzają się okresowo i nie powodują zwarcia
zupełnego elektrod. Są pierwszym etapem rozwoju wyładowania
zupełnego. Występują przy napięciu wyższym niż 20–30 kV, głównie gdy
elektrody nie są idealnie czyste. Po przyłożeniu napięcia
o stałej wartości w czasie można zaobserwować stopniowe malenie liczby
impulsów, co spowodowane jest samooczyszczaniem elektrod – każdy
impuls mikrowyładowania poprawia wytrzymałość przerwy próżniowej.
Przy podwyższaniu napięcia liczba impulsów wzrasta. Zwykle częstość
generowania mikrowyładowań zawiera się w zakresie od 0,1 do 100
impulsów/s, a ich amplituda osiąga 100 mA. Czas trwania pojedynczego
impulsu zawiera się w zakresie 10-4–10-1 s. Mikrowyładowania objawiają
się słabym świeceniem w przerwie międzyelektrodowej i powodują
desorpcję gazów z powierzchni elektrod w ilości rzędu 1016
molekuł/impuls [61, 70, 71, 88, 90].
22
Nośnikami ładunku mikrowyładowań są głównie jony wodoru,
tlenu, tlenku węgla i wody oraz elektrony, z tym, że elektrony nie
odgrywają większej roli w powstawaniu i podtrzymywaniu samych
mikrowyładowań mimo, że stanowią podstawowy składnik ich prądu
[77, 78].
Mikrowyładowaniami określa się również impulsy prądu
elektronowego pojawiające się na katodzie w stanie bezpośrednio
poprzedzającym przeskok. Impulsy te są pierwszym stadium
wyładowania zupełnego w próżni, jednak nie zawsze doprowadzają do
przeskoku [55]. Z powodu wysokości napięcia, przy którym się one
pojawiają (70–90 kV), znacznie przekraczającej wysokość napięcia
znamionowego roboczego obiektu badań, opis tego zjawiska został tutaj
pominięty [3].
Mikrowyładowania najczęściej opisywane są następującymi
parametrami:
- ładunek maksymalny q przenoszony przez pojedynczy impuls,
- napięcie zapłonu mikrowyładowań o danej amplitudzie Umw,
- napięcie gaśnięcia mikrowyładowań o danej amplitudzie Ug,
- czas trwania pojedynczego impulsu tmw,
- średnia moc wyładowań w przyjętym przedziale czasu Pmw,
- amplituda impulsu prądowego imw,
- średni prąd mikrowyładowań Imw,
- liczba impulsów w jednostce czasu [55, 21, 60].
Generowanie mikrowyładowań zależy w bardzo dużym stopniu od
jakości i stanu powierzchni elektrod, dlatego do ich powstania przyczynia
się obecność na elektrodach:
- pozostałości poprodukcyjnych innego materiału niż materiał elektrod,
które pozostały na nich w wyniku niedokładnego oczyszczenia,
- cząstek materiału elektrod, które pozostały po obróbce mechanicznej
i są słabo związane z podłożem,
- materiału drugiej elektrody, który został przeniesiony w wyniku
działania sił pola elektrycznego,
- ostrych krawędzi krateru utworzonego na skutek uderzenia
mikrocząsteczki w powierzchnię elektrody,
- pęcherzyków gazu leżących tuż pod powierzchnią elektrody,
- warstw tlenków adsorbowanych chemicznie i fizycznie na
powierzchni,
- cząstek materiału styków osadzonych podczas palenia się łuku [53,
61, 70].
23
Mikrowyładowania mogą się pojawić nie tylko w próżniowej
przerwie izolacyjnej między elektrodami, ale również między osłoną
kondensacyjną a dolną i górną pokrywą komory oraz między elektrodami
i osłoną. Jednak wyładowania o największym ładunku zachodzą
w przerwie pomiędzy elektrodami. Ładunek mikrowyładowań między
osłoną kondensacyjną a dolną i górną pokrywą komory osiąga kilkanaście
pikokulombów, natomiast ładunek pojedynczych impulsów między
elektrodami może osiągnąć wartość nawet rzędu nanokulomba [68, 70].
Wartość maksymalna ładunku mikrowyładowań jest odwrotnie
proporcjonalna do wytrzymałości elektrycznej próżniowej przerwy
izolacyjnej, a wartość ta spada podczas nieprzerwanego działania napięcia
[54, 71, 89].
Maksymalny ładunek mikrowyładowań jest proporcjonalny do
odległości między elektrodami [53, 68, 92].
Na liczbę mikrowyładowań w jednostce czasu istotny wpływ ma
ciśnienie gazów resztkowych. Z pracy [91] wynika, że wraz ze wzrostem
ciśnienia gazów resztkowych, zmienia się charakter jakościowy
i ilościowy impulsów. Przy wzroście ciśnienia powyżej pewnej granicznej
wartości, mikrowyładowania ulegają wygaszeniu. Tak więc brak
mikrowyładowań w komorze gaszeniowej może świadczyć o tym, że
jakość próżni w komorze uległa pogorszeniu [44]. Ilustruje to rysunek
2.8.
Rys. 2.8. Widmo częstotliwości impulsów mikrowyładowań między stykami
w zależności od ciśnienia gazów resztkowych [91]
24
Dotychczas
opisano
kilka
mechanizmów
generowania
mikrowyładowań [26], jednak ustalono, że zwykle przeskok nie następuje
ściśle według jednego ze schematów, lecz w wyniku złożonego działania
kilku następujących po sobie różnych mechanizmów.
Jednym z mechanizmów generowania mikrowyładowań jest tak
zwany mechanizm bryłkowy, który został zaproponowany przez
Cranberga. Zakłada on, że pod wpływem działania pola elektrycznego,
z elektrod zostają oderwane słabo związane z podłożem cząstki materiału
(bryłki), które posiadają pewien ładunek elektryczny. Cząstkami tymi
mogą być drobne fragmenty elektrody, pozostałe w wyniku obróbki
mechanicznej, mikroostrza oderwane przez elektrodynamiczne
oddziaływanie pola, pozostałości materiału obcego (np. ścierniwa do
polerowania elektrod) albo cząstki z materiału drugiej elektrody,
przeniesione poprzez przerwę próżniową. Cząstki te, po oderwaniu się od
elektrody, ulegają przyspieszeniu i uderzają w elektrodę przeciwległą.
Jeśli posiadają dostateczną energię kinetyczną, są w stanie doprowadzić
do takiego nagrzania powierzchni w punkcie uderzenia, że ulega
odparowaniu materiał elektrody, który następnie tworzy chmurę
zjonizowanych par. Pary te są źródłem nośników ładunku, dzięki którym
może być zapoczątkowane wyładowanie zupełne [8, 11, 53].
Inny mechanizm zakłada, że to sama mikrocząstka po zderzeniu
z elektrodą ulega odparowaniu i zamienia się w plazmę, niezbędną do
rozwoju wyładowania zupełnego [77, 78]. Jeśli bryłka jest zbyt mała, to
ilość par powstających w wyniku zderzenia może być zbyt mała, żeby
doprowadzić do przeskoku. W przypadku, gdy cząstka jest zbyt duża, to
uzyskana przez nią (w czasie przelotu między elektrodami) energia
kinetyczna może okazać się zbyt mała do spowodowania odparowania
bryłki i nastąpi jej sprężyste odbicie od elektrody. W wyniku takiego
zderzenia na elektrodzie może jednak powstać krater, z którego ostrych
brzegów rozpocznie się emisja elektronów, co może doprowadzić do
przeskoku w oparciu o mechanizm prądu emisyjnego. Duża, wolno
poruszająca się bryłka, zanim uderzy w elektrodę, jest w czasie ruchu od
anody bombardowana przez elektrony emitowane z mikroostrza na
katodzie. Może to spowodować odparowanie bryłki, w wyniku czego
powstaje chmura nośników ładunku. Mikrowyładowanie może być też
wynikiem lokalnego przeskoku między elektrodą a zbliżającą się do niej
cząstką. Również takie mikrowyładowanie może przerodzić się
w wyładowanie zupełne [13, 53, 54].
25
Według innego mechanizmu zakłada się, że mikrowyładowania
powstają, gdy cząstki ujemne, to znaczy mikrocząstki obdarzone
ładunkiem ujemnym ale i ujemne jony oraz elektrony, pod wpływem
działania sił pola elektrycznego odrywają się od katody i ulegają
przyspieszeniu w kierunku anody. W chwili uderzenia w anodę powodują
uwolnienie z niej cząstek o ładunku dodatnim. Są nimi, oprócz
naładowanych dodatnio bryłek, także jony dodatnie. Z kolei one uderzają
w katodę wybijając cząstki o ładunku ujemnym [78]. Zjawisko to może
być samopodtrzymujące, jeśli spełniony będzie warunek [53]:
A⋅B ≥ 1,
(2.5)
gdzie: A – liczba cząstek ujemnych, wytworzonych przez padającą
na katodę cząstkę dodatnią,
B – liczba cząstek dodatnich, wytworzonych przez padającą
na katodę cząstkę ujemną.
Kolejnym mechanizmem mogącym generować mikrowyładowania
jest tak zwana emisja wybuchowa. Emisja wybuchowa stanowi
szczególny przypadek emisji polowej. Przekroczenie krytycznej gęstości
prądu emisji polowej powoduje zniszczenie emitującego mikroostrza.
Zniszczenie to ma charakter wybuchowy i zachodzi w czasie krótszym
niż 10-7 s. Zjawisku towarzyszy silny wzrost prądu, przekraczający nawet
o kilka rzędów prąd emisji polowej. Impulsy tego prądu mogą być
rejestrowane przez aparaturę pomiarową w taki sam sposób jak impulsy
mikrowyładowań, dlatego emisja wybuchowa jest przez autora pracy
również uważana za mikrowyładowanie. Wyniki niektórych badań nie
potwierdzają istnienia tego mechanizmu generowania mikrowyładowań,
co wynika ze zbyt małego ciepła wydzielanego przez emisję polową,
niewystarczającego do eksplozji mikroostrza [42].
Niektóre publikacje wskazują na efekt Maltera, jako mechanizm
powstawania bardzo dużych impulsów prądowych. Efekt ten polega na
wytworzeniu dodatniego ładunku powierzchniowego na niemetalicznych
warstwach pokrywających katodę. Ładunek powierzchniowy tworzy się
na zasadzie elektronowej emisji wtórnej z metalu katody bombardowanej
jonami. Dodatni ładunek na powierzchni elektrody wytwarza lokalne
mikropola o bardzo dużym natężeniu, co powoduje zwielokrotnienie
prądu emisji polowej, czasem nawet o trzy rzędy [61].
W próżni technicznej (10-5 Pa) powierzchnia elektrod zawsze
pokryta jest warstwą produktów gazowych i parami olejów, które mogą
26
być uwolnione pod wpływem silnego pola elektrycznego. Powoduje to
wzrost ciśnienia przy powierzchni elektrod a w konsekwencji rozwój
mikrowyładowań zgodnie z prawem Paschena. Tym sposobem
z produktów desorpcji może powstać plazma, która w konsekwencji może
doprowadzić do przeskoku [42].
Z punktu widzenia rozpoznawania defektów, ważne są następujące
cechy mikrowyładowań:
- pojawiają się w dużej przerwie międzyelektrodowej (od kilku mm),
- spodziewane napięcie pojawiania się wynosi około 20–30 kV,
- częstość
generowania
impulsów
jest
w
zakresie
0,1–100 s-1,
- amplituda impulsów wynosi około 100 mA,
- czas trwania pojedynczego impulsu jest od 10-4 do 10-1 s,
- ładunek przenoszony przez mikrowyładowanie jest od kilkunastu
pikokulombów do nawet kilku nanokulombów, przy czym ze
wzrostem ładunku impulsów idzie spadek wytrzymałości przerwy
próżniowej,
- zdolność do samowygaszenia pod wpływem przyłożonego napięcia,
- ładunek maksymalny mikrowyładowań jest zależny od odległości
między elektrodami,
- zupełny brak mikrowyładowań, w określonym zakresie napięcia,
może świadczyć o znacznym pogorszeniu się próżni.
2.4. Odpylanie z wewnętrznej powierzchni
osłony izolacyjnej (defekt 4)
Wyłącznik próżniowy w trakcie eksploatacji wykonuje minimum
kilka tysięcy operacji łączeniowych. Podczas każdej takiej operacji
w przerwie międzyelektrodowej wyłącznika zapala się łuk elektryczny.
Ponieważ łuk ten charakteryzuje się bardzo wysoką temperaturą,
to w miejscu działania łuku następuje punktowe odparowanie materiału
styków. Temperatura plamki katodowej może osiągnąć dla różnych
metali nawet około 10 000 K, natomiast stosunek temperatury plamki
katodowej do temperatury wrzenia metalu może osiągnąć wartość 1,73.
Gdy prąd łuku wzrasta powyżej 100 A jedna plamka katodowa rozdziela
się na dwie, a pole magnetyczne spycha je na przeciwległe strony
elektrody. Przy prądzie 1000 A może wystąpić równocześnie nawet
27
dziesięć plamek katodowych. Szybkość wydmuchu materiału elektrod z
plamki katodowej poza elektrody zależy od właściwości materiału; dla
czystej miedzi zawiera się w przedziale między 105 a 106 cm/s [66].
Zjawisko to jest niekorzystne dla prawidłowego działania
wyłącznika z kilku powodów:
- zerodowane powierzchnie nakładek stykowych nie zapewniają
odpowiednio dużego pola powierzchni przylegania elektrod, przez co
wzrasta spadek napięcia na styku, który następnie powoduje wzrost
wydzielanej mocy między elektrodami, a w wyniku tego podgrzanie
materiału elektrod i, w konsekwencji, ich spiekanie,
- uwolnione gorące metaliczne cząstki materiału styków tworzą
między elektrodami chmurę nośników ładunku, przez co zwiększają
prawdopodobieństwo wystąpienia przeskoku wtórnego,
- cząstki metalu, który został odparowany z powierzchni styków, mogą
osiadać na powierzchni osłony izolacyjnej i doprowadzić po pewnym
czasie do znacznego obniżenia własności izolacyjnych osłony, co
grozi przeskokiem – mimo istnienia prawidłowej przerwy izolacyjnej
między elektrodami.
Ponieważ odparowywanie materiału elektrod może doprowadzić do
tego, że wyłącznik podczas kolejnej operacji łączeniowej nie zadziała,
zjawisko to jest ograniczane do minimalnego poziomu poprzez
odpowiednią konstrukcję komory. Styki wykonuje się z materiału
możliwie najbardziej odpornego na działanie łuku, a dodatkowo, aby nie
dopuścić do zatrzymania się łuku w jednym miejscu, odpowiednio
profiluje się elektrody. Przepływ prądu między nimi generuje siłę
elektrodynamiczną, która oddziałuje na kolumnę łukową powodując
wirowanie łuku po powierzchni styków. Szybko poruszający się łuk
krócej oddziałuje na styki, przez co temperatura w punkcie styku osiąga
niższą wartość niż dla łuku stacjonarnego.
Mimo tych działań, podczas każdej operacji łączeniowej, pewna
niewielka część materiału styków zostanie odparowana i znajdzie się
w przestrzeni międzyelektrodowej, a nawet poza nią. Część chmury
cząstek przewodzących, w wyniku działania pola elektrostatycznego,
wraca i osadza się na powierzchni elektrod. Jednak reszta może osadzić
się na powierzchni osłony izolacyjnej. Możliwość taką bardzo ogranicza
wstawienie do wnętrza komory gaszeniowej osłony kondensacyjnej.
Osłona ta ma potencjał swobodny, czyli praktycznie o wartości połowy
napięcia przyłożonego do wyłącznika, przez co, w wyniku działania siły
28
elektrostatycznej, osiada na niej niemal cała reszta odparowanego metalu
styków.
Niestety, podczas eksploatacji wyłącznika, po dużej ilości łączeń
o silnym prądzie, pewna, niewielka ilość materiału styków osadzi się na
powierzchni osłony izolacyjnej. Ocenę tego problemu dodatkowo
utrudnia fakt, że dzieje się to wewnątrz komory gaszeniowej, a więc nie
ma możliwości bezpośredniej obserwacji stanu wnętrza komory.
Metal pokrywający ceramikę nie tworzy ciągłej powłoki, lecz
przypomina wysepki metalu naniesione na powierzchnię izolatora.
Napylona warstwa metalu ma grubość zawierającą się w granicach 20 –
80 Å i obniża rezystywność powierzchniową izolatora bez niszczenia jego
własności izolacyjnych [92, 33].
Rezystywność powierzchniowa izolacji w próżni jest zawsze
mniejsza niż w powietrzu, a maksymalna wytrzymałość elektryczna
występuje dla rezystywności powierzchniowej w zakresie 1212–1013
Ω⋅cm⋅cm-1 [51]. Dla typowego materiału izolacyjnego stosowanego w
konstrukcji wyłączników próżniowych, to znaczy alundu (Al2O3),
wytrzymałość powierzchniowa w próżni wynosi 87 kV/cm [61].
Pokrycie metalem izolatora może zmienić jego wytrzymałość i to
zarówno powiększyć jak i obniżyć. Zwiększenie wytrzymałości może
wynikać z:
- obniżenia rezystancji powierzchniowej izolatora i poprawienia
rozkładu natężenia pola elektrycznego poprzez wyrównanie go na
całej powierzchni izolatora,
- obniżenia współczynnika wtórnej emisji elektronowej, szczególnie
w tak zwanym punkcie potrójnym (elektroda–izolator–próżnia),
powoduje generowanie mniejszego ładunku powierzchniowego,
czego skutkiem jest mniejsza deformacja rozkładu natężenia pola.
Obniżenie wytrzymałości może być spowodowane przez spadek
rezystywności powierzchniowej izolatora poniżej wartości krytycznej.
W takim przypadku generowana energia termiczna, będąca efektem
przepływu prądu powierzchniowego, jest większa niż energia
odprowadzana i sytuacja ta doprowadza do termicznego przeskoku po
cienkiej, napylonej powierzchni [51].
Przy dostatecznie wysokim napięciu można zaobserwować emisję
polową elektronów między wysepkami metalu [51, 93], a gęstość prądu
emisji opisuje równanie Fowlera-Nordheima [61, 72].
Metal pokrywający izolację nie jest silnie związany
z jej powierzchnią. Przy dostatecznie wysokim natężeniu pola można
29
zaobserwować odrywanie cząstek metalu oraz ich wędrówkę po
powierzchni izolatora. Cząstki te obdarzone są pewnym ładunkiem
elektrycznym, a ich ruch, poprzez przekazywanie tego ładunku między
elektrodami, generuje mikrowyładowania. Na podstawie badań
modelowych wiadomo, że mikrowyładowania charakteryzują się małą
wartością ładunku (do 50 pC), jedną modą o wartości nie przekraczającej
10 pC oraz niewielką liczbą impulsów w jednostce czasu, co przedstawia
rysunek 2.9.
liczba impulsów N
20
40Å
60Å
20Å
80Å
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
ładunek Q [pC]
Rys. 2.9. Typowe rozkłady mikrowyładowań obserwowanych na izolatorach
pokrytych miedzią w próżni dla różnych grubości warstwy napylonej;
pomiarów dokonano dla U=10 kV [92]
Bardzo wyraźny wpływ na intensywność mikrowyładowań ma
wysokość napięcia (rys. 2.10. i rys 2.11.), natomiast w małym stopniu
intensywność zależy od grubości warstwy napylonej [92].
Mikrowyładowania, które generowane są na powierzchni izolatora
pokrytego warstwą metalu, mogą spowodować, że izolator taki ulegnie
samooczyszczeniu z napylonego metalu. W wyniku tego
mikrowyładowania zanikają. W największym stopniu odpyleniu ulegają
cząstki metaliczne w wąskim pasie izolatora osłonowego, przylegającym
do metalowej pokrywy komory. Proces odpylania metalu kończy się
z chwilą powstania grupy ścieżek przewodzących na odpylonej
30
powierzchni, które mostkując obszar izolacyjny mogą doprowadzić nawet
do przeskoku [92].
ładunek impulsu [pC]
5
0s
120s
240s
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
napięcie [kV]
Rys. 2.10. Zależność średniego ładunku mikrowyładowań od napięcia po 0, 120
i 240 s aktywności mikrowyładowań; grubość warstwy pokrywającej izolator
20 Å [92]
Patrząc na cechy mikrowyładowań związanych z odpylaniem
z wewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej można, w aspekcie procesu
identyfikacji defektów, wydzielić następujące cechy charakterystyczne:
- ładunek maksymalny zwykle nie przekracza 50 pC,
- występuje tylko jedna moda ładunku wyładowania, której wartość nie
przekracza 10 pC,
- liczba impulsów w czasie jednej sekundy wynosi co najwyżej
kilkaset,
- liczba mikrowyładowań rośnie proporcjonalnie do napięcia,
- ładunek maksymalny i średni ładunek pojedynczego wyładowania
również rosną wraz z napięciem,
- wyładowania, w wyniku samooczyszczenia powierzchni izolatora, po
pewnym czasie zanikają,
- grubość warstwy napylonej na izolatorze nie ma większego wpływu
na częstość wyładowań niezupełnych.
31
b)
c)
d)
liczba impulsów N
ładunek impulsu ładunek maksymalny ładunek na jeden
[pC]
[pC]
okres [pC]
a)
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
20
25
30
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
80
60
40
20
0
0
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
napięcie U [kV]
Rys. 2.11. Przebieg parametrów charakteryzujących mikrowyładowania
w zależności od napięcia, dla warstwy metalu o grubości 40 Å; a) liczba
impulsów zliczonych w ciągu 1 s, b) ładunek całkowity zliczony w ciągu 1 s,
c) ładunek maksymalny, niesiony przez najintensywniejsze wyładowanie,
d) ładunek średni, niesiony przez pojedynczy impuls wyładowania [92]
32