– 1 –

POLITECHNIKA 

ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE  4

BADANIE  WYŁADOWAŃ  ŚLIZGOWYCH

I. WIADOMO

ŚCI  TEORETYCZNE

1. Wst

ęp

Wyładowaniami ślizgowymi nazywamy wyładowania powierzchniowe rozwijające się wzdłuż granicy

rozdziału ośrodków – gazowego i stałego (lub ciekłego) – w układach izolacyjnych uwarstwionych uko-
ś

nie.  Z  uwarstwieniem  ukośnym  mamy  do  czynienia  wtedy,  gdy  linie  sił  pola  elektrycznego  padają  na

granicę ośrodków ukośnie, pod kątem  0

°

 < 

α

 < 90

°

. Przedstawicielem takich układów jest izolator prze-

pustowy służący do przeprowadzenia przewodu wysokiego napięcia przez ścianę budynku lub obudowę
urządzenia (np. kadź transformatora). W badaniach laboratoryjnych mechanizmu wyładowań ślizgowych
wykorzystuje się najczęściej układ pręt–dielektryk–płyta.

E

x

/E

max

U

x

/U

0,8 1,0

0,2 0,4

0,8

0,6

0,4

4

3

0

0,6

1

2

1,0

x

U

x

/U

E

x

/E

max

U

0,2

0

x/l

l

Rys. 1. Przekrój układu o charakterze przepustowym oraz rozkład napięcia i natężenia pola elektrycznego wzdłuż powierzch-

ni: 1 - szyna wysokiego napięcia, 2 - dielektryk, 3 - okucie zewnętrzne, 4 - linie sił pola elektrycznego

 Wyładowania elektryczne w takich układach rozwijają się szczególnie łatwo w wyniku silnie niejed-

nostajnego  rozkładu  pola  elektrycznego  posiadającego  składową  styczną  i  normalną  do  powierzchni.
Przeskok  elektryczny  wzdłuż  powierzchni  zachodzi  przy  napięciu  niższym  niż  w układzie  ostrzowym
przy takim samym odstępie elektrod. Rozwój wyładowań powierzchniowych przybiera w funkcji napię-
cia różne formy (rys. 2).

Jeżeli podnosi się łagodnie napięcie przyłożone do elektrod układu o charakterze przepustowym, to po

przekroczeniu napięcia początkowego wyładowań zauważa się najpierw na krawędzi elektrody mniejszej
wyładowania  świetlące.  Przy  dalszym  podnoszeniu  napięcia  wyładowanie  świetlące  rozszerza  się,  po-
krywając  coraz  dalszą  przestrzeń  powierzchni  dielektryka  wokół  tej  elektrody.  Wreszcie  po  osiągnięciu
pewnego napięcia, zwanego napięciem początkowym iskier ślizgowych (U

0śl

), na tle niebieskawych nitek

wyładowań powierzchniowych ślizgowych zaczynają się pojawiać z głośnym trzaskiem pojedyncze, sil-
nie świecące iskry. Są to iskry ślizgowe. Zapoczątkowują one najważniejszą z punktu widzenia trwałości
układu  izolacyjnego  gorącą  fazę  wyładowań  ślizgowych.  Wysoka  temperatura  plazmy  jest  przyczyną
niszczenia dielektryka, a silny wzrost długości iskier ślizgowych wraz ze wzrostem napięcia sprawia, że
napięcie przeskoku jest niewiele wyższe od napięcia zapoczątkowującego ich rozwój.

– 2 –

Intensywne wyładowania powierzchniowe ślizgowe w zakresie napięcia U

0

 

÷

 U

0śl

 (zimna plazma) po-

wodują również degradację dielektryków (zwłaszcza organicznych). Napięcie początkowe wyładowań U

0

jest najczęściej bardzo niskie (nawet poniżej 1 kV), a zakres rozwoju wyładowań strimerowych szeroki.

2. Wyładowania powierzchniowe przy napi

ęciu przemiennym

2.1. Wyładowania podtrzymywane

Nierównomierny  rozkład  napięcia  wzdłuż  powierzchni  dielektryka  można  wyjaśnić  posługując  się

schematem zastępczym (rys. 4a).

R

p

C

p

R

p

E

p

E

ł

E

ł

E

p

R

p

C

p

C

p

C

p

R

p

C

p

b)

i

u

c)

u

a)

R

p

C

s

C

s

C

s

C

s

C

s

i

t

Rys. 4. Schemat zastępczy dielektryka dla wyładowań powierzchniowych (a) oraz rozkład ładunków w czasie wy-

ładowań powstałych w dodatnim i ujemnym półokresie napięcia (b): R

p

 - rozłożone rezystancje powierzch-

niowe, C

p

 - rozłożone pojemności powierzchniowe,  C

s

 - rozłożone pojemności skrośne, E

p

 - pole przyło-

ż

one, E

ł

 - pole ładunku powierzchniowego. Wykres (c) pokazuje impulsy prądu wyładowań powierzchnio-

wych na tle sinusoidy napięcia zasilającego

Wyładowania niesamoistne
jedno- i wielolawinowe

Zakres wyładowań
strimerowych (zimna plazma)

0

U

0f

U

0

U

0śl

U

p

Rozwój iskier ślizgowych
(gorąca plazma)

Rys. 2. Rozwój  wyładowań  powierzchniowych  w funkcji  przy-

łożonego napięcia. U

0f

 - napięcie początkowe wyładowań

niesamoistnych  (wyładowania  wykrywane  przy  użyciu
fotopowielaczy),  U

0

  -  napięcie  początkowe  wyładowań

strimerowych,  U

0śl

  -  napięcie  początkowe  iskier  ślizgo-

wych, U

p

 - napięcie przeskoku wzdłuż powierzchni

Rys. 3. Wyładowania ślizgowe przy napięciu prze-

miennym (o wartości U < U

0śl

) w układzie

o charakterze przepustowym

– 3 –

Przy dużej rezystywności powierzchniowej dielektryka napięcie przyłożone do układu wzrasta szyb-

ciej niż napięcie na pojemnościach skrośnych (C

s

) ładowanych przez rezystancje R

p

. Na stosunkowo ma-

łych pojemnościach C

p

, tuż przy elektrodzie, mogą wystąpić napięcia wystarczające do wywołania joni-

zacji  powierzchniowej.  Dogodne warunki do wystąpienia wyładowań powierzchniowych ślizgowych  wy-
stępują w przypadku dielektryków stałych mających rezystywność powierzchniową większą niż 10

12

 

Ω

.

Po wystąpieniu wyładowań w czasie narastania napięcia na mniejszej elektrodzie (dodatni półokres)

w  sąsiedztwie  tej  elektrody  gromadzi  się  na  powierzchni  dielektryka  mniej  ruchliwy  dodatni  ładunek
elektryczny wytwarzający własne pole elektryczne (rys. 4b). Pole to, w pobliżu elektrody, jest przeciwnie
skierowane  niż  pole  przyłożone.  Ładunek  przestrzenny  tego  samego  znaku  co  elektroda  przeciwdziała
dalszemu  rozwojowi  wyładowań.  Przy  zmniejszaniu  się  napięcia  i  narastaniu  ujemnego  półokresu  pola
przyłożonego powierzchniowy ładunek dodatni wzmacnia pole w pobliżu elektrody prowokując powsta-
nie wyładowań przy narastaniu ujemnego półokresu napięcia. Wyładowania te powodują najpierw zneu-
tralizowanie powstałego ładunku przestrzennego, a następnie  gromadzenie  się  przy  elektrodzie  ładunku
o przeciwnym znaku niż poprzednio, czyli o tym samym znaku co elektroda.

Występujące  zjawisko  podtrzymywania  się  wyładowań  wskutek  działania  ładunku  przestrzennego

gromadzącego się przy elektrodzie to przyczyna nazwania tych wyładowań wyładowaniami podtrzymy-
wanymi.  Napięcie,  przy  którym  te  wyładowania  pojawiają  się  to  napięcie  początkowe  wyładowań  podtrzy-
mywanych. Wyładowania podtrzymywane uważane są za początkową formę wyładowań ślizgowych.

2.2. Iskry 

ślizgowe

Iskry ślizgowe są kontynuacją wyładowań ślizgowych podtrzymywanych. Napięcie początkowe iskier

ś

lizgowych jest bardzo ważne, gdyż wytrzymałość układu jest niewiele wyższa od tego napięcia. Powsta-

nie iskry ślizgowej, czyli kanału o dużej przewodności, uwarunkowane jest wzrostem napięcia i prądu do
wartości umożliwiającej wystąpienie jonizacji cieplnej.

Z uwagi na to, że prąd iskier ślizgowych zamyka się na drodze pojemnościowej, prąd ten będzie tym

większy  i  jednocześnie  napięcie  początkowe  iskier  ślizgowych  będzie  tym  niższe,  im  ta  pojemność  bę-
dzie  większa.  Wartość  skuteczną  napięcia  początkowego  iskier  ślizgowych  można  obliczyć  z  doświad-
czalnego wzoru Toeplera

4

44

,

0

j

śl

0

10

C

355

,

1

U

−

⋅

=

   [kV].

 (4.1)

Pojemność C

j

 [F/cm

2

] jest pojemnością jednostkową układu izolacyjnego rozumianą jako pojemność

przypadającą na jednostkę powierzchni dielektryka w sąsiedztwie mniejszej elektrody (z której wychodzą
iskry ślizgowe). Wzór powyższy jest słuszny dla C

j

 > 0,25

⋅

10

–12

 F/cm

2

.

Dla układu z płaskim dielektrykiem (pręt–dielektryk–płyta), przy jego przenikalności dielektrycznej

względnej 

'

ε

 i grubości d, pojemność jednostkową możemy obliczyć z zależności

d

'

C

0

j

ε

ε

⋅

=

,

(4.2)

a dla układu przepustowego

r

R

ln

R

'

C

0

j

⋅

⋅

=

ε

ε

,

(4.3)

gdzie: R i r - promienie elektrod: zewnętrznej i wewnętrznej.

Wiedząc, że przenikalność dielektryczna próżni wynosi 

ε

0

 = 10

–11

/36

π

 = 8,84

⋅

10

–14

 F/cm, wzory  na  na-

pięcie początkowe iskier ślizgowych przyjmą odpowiednio postać:

– dla układu z płaskim dielektrykiem      

]

kV

[

'

d

8

,

74

U

44

,

0

ś

l

0













⋅

=

ε

,

– 4 –

– dla układu przepustowego

]

kV

[

'

r

R

ln

R

8

,

74

U

44

,

0

śl

0

























⋅

⋅

=

ε

.

Wielkość d/

ε

’ nazywana jest względną grubością dielektryka.

1cm

1cm

2r

2R

1cm

1cm

a)

b)

d

Rys. 5. Sposób wyznaczenia pojemności jednostkowej C

j

 w układzie z płaskim dielektrykiem (a) oraz w układzie

przepustowym

2.2. Napi

ęcie przeskoku

Iskry  ślizgowe  obniżają  wytrzymałość  elektryczną  układów  izolacyjnych  o uwarstwieniu  ukośnym,

ponieważ wzrost długości tych iskier wraz z napięciem jest bardzo szybki. O wpływie iskier ślizgowych
na napięcie przeskoku powierzchniowego można mówić wtedy, gdy długość drogi przeskoku jest na tyle
duża, że napięcie przeskoku jest wyższe od napięcia początkowego iskier ślizgowych. Przy napięciach U
< U

0śl

 wyładowania ślizgowe (zimne) obejmują swoim zasięgiem znaczny obszar i jeżeli sięgną drugiej

elektrody, dochodzi do przeskoku bez stadium rozwoju iskier ślizgowych.

Przytoczony poniżej wzór empiryczny daje nam wyobrażenie o szybkości rozprzestrzeniania się iskry

ś

lizgowej. Długość iskry ślizgowej wynosi

4

5

2
j

dt

dU

U

kC

l

=

  [cm]

 

,

.

gdzie:  l - długość iskry ślizgowej, k - współczynnik,  U  -  przyłożone  napięcie  w kV

max

,,  C

j

  -  pojemność

jednostkowa w F/cm

2

, dU/dt - maksymalna szybkość wzrostu napięcia w kV/

µ

s (dla napięcia si-

nusoidalnego równa 

ω

U

max

).

Bezpośrednio z powyższego wzoru wynika zależność na napięcie przeskoku wzdłuż powierzchni przy

występowaniu iskier ślizgowych. W miejsce „ l

 

” trzeba podstawić długość drogi przeskoku „

 

l

p 

”

20

5

2
j

p

p

dt

dU

1

kC

l

U

⋅

=

,

gdzie: l

p

 - droga przeskoku.

– 5 –

3. Wyładowania powierzchniowe przy napi

ęciu udarowym

3.1. Figury Lichtenberga

Wyładowania powierzchniowe powstające na powierzchni dielektryka po przyłożeniu do układu o cha-

rakterze przepustowym napięcia impulsowego zaliczane są również do wyładowań ślizgowych. Wyłado-
wania te tworzą na powierzchni dielektryka figury zwane figurami Lichtenberga. Odegrały one dużą rolę
w  poznaniu  mechanizmu  rozwoju  wyładowań  ślizgowych.  Największe  znaczenie  miała  fotograficzna
rejestracja  wyładowań  powstających  bezpośrednio  na  materiale  światłoczułym  w  układzie  pręt  (lub
ostrze)–błona fotograficzna–dielektryk–płyta (rys. 6).

Figury powstałe przy różnych biegunowościach napięcia elektrody prętowej różnią się znacznie od

siebie, pomimo że istotą zjawiska w obu przypadkach jest ruch elektronów. Figury powstałe przy dodat-
niej biegunowości tej elektrody nazywamy figurami dodatnimi, a przy ujemnej – ujemnymi. Można roz-
różnić dwa stadia rozwoju figur związane z różnymi stanami wyładowania. Są to pierwotne figury Lich-
tenberga (U < U

0śl

) oraz związane z występowaniem gorącej plazmy iskry wtórne. Rysunki 7 i 8  przed-

stawiają dodatnią i ujemną figurę pierwotną.

Prąd  wyładowań  ślizgowych  i  iskier  ślizgowych,  podobnie  jak  przy  napięciu  przemiennym,  zamyka

się na drodze pojemnościowej

dt

dC

u

dt

du

C

dt

)

u

C

(

d

i

s

s

s

s

s

s

+

=

=

,

gdzie: C

s 

- pojemność skrośna pod iskrą ślizgową zmieniająca się wraz z jej wielkością, u

s

 - napięcie na

pojemności C

s

.

elektrody

U

ś

wiatłoszczelna

komora

dielektryk

błona fotograficzna

Rys. 6. Układ do badania figur Lichtenberga

Ponieważ decydujący udział w prądzie wyładowań ma drugi składnik powyższego wyrażenia związa-

ny  ze  zmianą  pojemności,  istnieje  również  możliwość  rozwoju  iskier  ślizgowych  przy  napięciu  stałym.
Warunkiem  wystąpienia  takich  wyładowań  jest,  aby  rezystywność  powierzchniowa  dielektryka  boczni-
kująca rozkład napięcia wynikający z pojemności była bardzo duża.

3.1.1. Rozwój figury dodatniej

Swobodne  elektrony  poruszają  się  w  kierunku  środka  figury  w  polu  o  wzrastającym  natężeniu  joni-

zując  gaz.  Pozostawiają  one  za  sobą  dodatni  ładunek  przestrzenny,  którego  pole  elektryczne  łącznie
z polem  przyłożonym  stwarza  dogodne  warunki  do  rozprzestrzeniania  się  figury.  Dalsze  elektrony  są
przyciągane przez ten ładunek dodatni tworząc nowe kanały i wydłużając gałęzie figury. Figura rozrasta
się  dotąd,  dopóki  istnieje  dostatecznie  silne  pole  na  końcach  kanałów  podtrzymujące  dalszą  jonizację.
Jak widać na rysunku 7, występuje tutaj tendencja do wytwarzania się wyraźnych kanałów wyładowań.

Rozwój iskier wtórnych rozpoczyna się, gdy wzrost intensywności procesów jonizacyjnych doprowa-

dza do podgrzania gazu i  wystąpienia  jonizacji  cieplnej  w kanałach  wyładowań.  Iskra  dodatnia  rozwija

– 6 –

się w sposób ciągły – gałęzie boczne zaczynają obumierać, a nowe elektrony tworzą się w procesie foto-
jonizacji w przedniej części kanału powodując jej rozrastanie się (rys. 9).

  

Rys. 7. Pierwotna figura Lichtenberga dodatnia                                Rys. 8. Pierwotna figura Lichtenberga ujemna

   

Rys. 9. Rozwój figury wtórnej dodatniej                                       Rys. 10. Rozwój iskier wtórnych ujemnych

3.1.2. Figura ujemna

Jak widać na rysunku 8, pierwotna figura ujemna jest dużo mniejsza od dodatniej i wygląda zupełnie

inaczej. Elektrony poruszają się tutaj od elektrody na zewnątrz w polu elektrycznym o malejącym natę-
ż

eniu.  Elektrony  jonizują  gaz  pozostawiając  za  sobą  przestrzenny  ładunek  dodatni  osłabiający  promie-

niowe pole przyłożone. W ten sposób utrudnione jest rozprzestrzenianie się figury. Nie istnieją uprzywi-
lejowane kierunki wyładowania – rozszerza się ono sektorowo i w pewnej, praktycznie jednakowej odle-
głości  od  elektrody,  zanika.  Widoczne  na  tle  sektorów  figury  ujemnej  gałęzie  wyładowań  charaktery-
stycznych dla figury dodatniej, powstały po zaniku ujemnego napięcia impulsowego powodując zwrotny
przepływ elektronów w kierunku elektrody.

Iskra ujemna (rysunek 10 przedstawia początek jej rozwoju) rozpoczyna się od środka figury, ponie-

waż  występuje  tutaj  wysoka  różnica  potencjałów  między  dodatnim  ładunkiem  a  ujemną  elektrodą.
W przeciwieństwie  do  iskry  dodatniej  iskra  ujemna  rozwija  się  skokowo  wraz  ze  wzrostem  chwilowej
wartości napięcia. Po pierwszym skoku zatrzymuje się na granicy figury ze względu na niskie natężenie
pola  w  tym  miejscu.  Może  rozwijać  się  dalej  nawet  w  kierunku  stycznym  do  figury,  a ponowny  skok
w kierunku promieniowym wystąpi po zaistnieniu ku temu warunków.

– 7 –

3.2. Klidonografy

Fotograficzna metoda rejestracji wyładowań powierzchniowych znalazła zastosowanie w przyrządach

zwanych  klidonografami.  Za  pomocą  pierwotnej  figury  Lichtenberga  można  określić  biegunowość
i wartość  szczytową  przepięć  piorunowych,  a  także  maksymalną  stromość  prądów  piorunowych

 

przez

pomiar  napięć  indukowanych  przez  te  prądy.  Największe  znaczenie  praktyczne  ma  zależność

 

ś

rednicy

figury Lichtenberga od wartości szczytowej napięcia. Układ klidonografu (np. z rysunku 6) wymaga wy-
skalowania  z  uwzględnieniem  czułości  materiału  fotograficznego.  Pomiar  polega  na  pomiarze  średnicy
figury i odczycie wartości napięcia z krzywej U

max

 = f

 

(d).

4. Metody podwy

ższania napięcia początkowego iskier ślizgowych

Ze  względu  na  niekorzystne  działanie  iskier  ślizgowych  na  wytrzymałość  układów  o  charakterze

przepustowym podejmuje się różne środki zaradcze celem niedopuszczenia do ich rozwoju. Powiększe-
nie napięcia początkowego iskier ślizgowych można uzyskać stosując następujące metody:

a)

 

powiększenie grubości dielektryka stałego,

b)

 

zastosowanie  dielektryków  o  mniejszej  przenikalności  lub  układów  uwarstwionych  z  takimi
dielektrykami,

c)

 

zastosowanie barier w postaci kołnierzy, żeber, kloszy itp.,

d)

 

zastosowanie kieszeni metalizowanej,

e)

 

stosowanie powierzchni półprzewodzących zmieniających rozkład napięcia wzdłuż powierzch-
ni,

f)

 

sterowanie pojemnościowe rozkładem pola elektrycznego.

Sposoby wyszczególnione w punktach a, b, c i d wynikają bezpośrednio z interpretacji wzoru Toeple-

ra i polegają na zmniejszeniu pojemności jednostkowej układu przy elektrodzie mniejszej. Powiększenie
grubości dielektryka na całej długości układu prowadzi do ciężkich i kosztownych konstrukcji. Zastoso-
wanie  żeber  lub  kloszy  przy  elektrodzie  mniejszej  to  miejscowe  zmniejszenie  pojemności  powodujące
zatrzymanie wyładowań ślizgowych.

a)

1

b)

4

2
3

3

2

Przykładem  rozwiązania  „b”  jest  izolator  przepustowy  porcelanowo–olejowy,  mający  grubą  warstwę

oleju  między  szyną  a  osłoną  ceramiczną.  Taki  układ  daje  znacznie  mniejszą  pojemność  jednostkową  niż
sama  porcelana.  W  izolatorach  przepustowych  średnich  napięć  dielektrykiem  wypełniającym  korpus
porcelanowy jest powietrze.

Kieszeń metalizowana jest dość powszechnie stosowanym sposobem podwyższania U

0śl

. Ze względu

na  powierzchnię  przewodzącą  wyładowania  ślizgowe  w obrębie  kieszeni  nie  powstaną.  Zakończenie
metalizacji wykonuje się w takim

 

miejscu, aby linie sił pola wchodziły z metalizacji wprost do porcelany

z ominięciem powietrza.

Sposób  „e”  polegający  na  wymuszeniu  rezystancyjnego  rozkładu  napięcia  wzdłuż  powierzchni

(zmniejszenie  rezystywności  powierzchniowej)  stosowany  jest  przy  izolacji  uzwojeń  wyprowadzanych
ze żłobków maszyny wirującej. Powłoki półprzewodzące nanosi się najczęściej na  części  układu  w  po-
bliżu zewnętrznej elektrody układu o charakterze przepustowym.

Rys. 11. Sposoby  podwyższania  napięcia

początkowego  iskier  ślizgowych:
a)  przy  pomocy  kieszeni  metali-
zowanej  i  b)  żebra:  1  -  kieszeń,
2 -  metalizacja,  3  -  elektroda  ze-
wnętrzna, 4 - żebro

– 8 –

Na szczególną uwagę zasługuje sposób „f”. 

W izolatorach przepustowych na najwyższe napięcia

robocze (

≥

 110 kV) znajduje zastosowanie metoda sterowania pojemnościowego rozkładem pola. Izola-

tory takie noszą nazwę przepustów kondensatorowych, a ideę ich konstrukcji przedstawia rysunek 12.

Wewnątrz izolacji znajdują się ekrany w postaci koncentrycznych powierzchni przewodzących. Two-

rzywem ekranów może być folia aluminiowa, papier metalizowany, papier półprzewodzący itp. wprowa-
dzone do wnętrza dielektryka. Izolacja przepustu kondensatorowego jest zazwyczaj wykonana z papieru
bakelizowanego  nałożonego  na  szynę  prądową.  W  izolacji  tej  znajdują  się  ekrany  (kilkadziesiąt),  które
stanowi folia aluminiowa lub papier metalizowany. Przestrzeń pomiędzy korpusem porcelanowym a izo-
lacją stałą wypełnia olej mineralny.

A - A

elektrody

A

l

i

A

ekrany

a

i

∆

l

i

Rys. 12. Izolator przepustowy z ekranami sterującymi rozkładem pola elektrycznego

Dla  wyrównania  rozkładu  napięcia  w  kierunku  poosiowym  (wzdłuż  powierzchni)  i  promieniowym,

rozmieszczenie ekranów powinno być takie, aby spełnione zostały następujące warunki:

a) jednakowe pojemności warstw dielektryka między ekranami

C

1

 = C

2

 = C

3

 = .....

Spełnienie tego warunku daje jednakowe napięcia na oddzielonych ekranami warstwach dielektry-
ka dzieląc przyłożone napięcie U na równe części

U

1

 = U

2

 = U

3

 = ...... = U/n

 

,

gdzie: n - liczba warstw dielektrycznych utworzonych przez ekrany,

b) jednakowe odległości między ekranami (jednakowe grubości warstw)

a

1

 = a

2

 = a

3

 =.... = a/n

 

,

co w połączeniu z warunkiem (a) pozwala otrzymać równomierny rozkład napięcia w kierunku
promieniowym

.

const

E

....

a

U

a

U

a

U

śr

s

3

3

2

2

1

1

=

=

=

=

=

,

c) jednakowe stopniowanie długości ekranów

∆

l

1

 = 

∆

l

2

 = 

∆

l

3

 = ......

Przy jednakowych odległościach między krawędziami ekranów i przy spełnieniu warunku (a) można

znacznie poprawić poosiowy rozkład naprężeń

.

const

E

.....

l

U

l

U

l

U

śr

p

3

3

2

2

1

1

=

=

=

=

=

∆

∆

∆

,

– 9 –

Spełnienie wszystkich trzech warunków nie jest możliwe. Kładąc nacisk na poprawę rozkładu napię-

cia wzdłuż powierzchni (kierunek poosiowy) należy uwzględnić warunki (a) i (c).

Jeżeli  w  wyniku  zastosowania  ekranów  dielektryk  został  promieniowo  podzielony  na  „n”  warstw

(liczba ekranów n – 1) to, przy zachowaniu warunku (a) napięcie na jednej warstwie będzie wynosić

n

U

'

U

=

,

(4.4)

gdzie U - napięcie przyłożone do układu

.

Pojemność  jednostkowa  jednej  warstwy  będzie  n-razy  większa  od  pojemności  jednostkowej  całego

układu

j

j

nC

'

C

=

.

(4.5)

Napięcie początkowe iskier ślizgowych dla zewnętrznej warstwy (elektroda zewnętrzna-ekran), zgod-

nie z wzorem Toeplera będzie wynosić

4

44

,

0

j

śl

0

10

)

'

C

(

355

,

1

'

U

−

⋅

=

.

(4.6)

Jeżeli napięcie na tej warstwie osiągnie wartość napięcia początkowego iskier ślizgowych, to całe napię-

cie przyłożone do układu będzie również napięciem początkowym iskier ślizgowych. Biorąc po uwagę za-
leżności (4.4) i (4.5) można napisać

4

44

,

0

j

śl

0

10

)

nC

(

355

,

1

n

U

−

⋅

=

.

Zatem  napięcie  początkowe  iskier  ślizgowych  w  układzie  z  ekranami  sterującymi  rozkładem  pola

elektrycznego będzie wynosić

4

44

,

0

j

56

,

0

śl

0

10

C

355

,

1

n

U

−

⋅

⋅

=

.

Ostatni wzór pokazuje, że napięcie początkowe iskier ślizgowych dla układu z ekranami jest n

0,56

 razy

wyższe niż dla układu bez ekranów.

5. Pytania kontrolne

1. W jakich warunkach mogą rozwijać się wyładowania ślizgowe?
2. Omówić schemat zastępczy układu dla wyładowań ślizgowych
3. Omówić mechanizm wyładowań podtrzymywanych
4. Wzór Toeplera i jego interpretacja
5. Czy wyładowania ślizgowe mogą rozwijać się przy napięciu stałym?
6. Omówić mechanizm powstawania dodatnich i ujemnych figur Lichtenberga
7. Omówić metody podwyższania napięcia początkowego iskier ślizgowych

Literatura

1.

 

Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 2009

2.

 

Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996

3.

 

Układy izolacyjne urządzeń elektroenergetycznych. Praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1978.

– 10 –

II. POMIARY

1. Badanie  wytrzymało

ści  układu  izolacyjnego  bez  wyładowań  ślizgowych  (uwarstwienie

równoległe dielektryka stałego i powietrza)

1.1. 

 

Schemat układu

elektrody

Ro

rura
izolacyjna

DN

Ve

V

Tr

A

Tp

Rys. 13. Układ do badania wytrzymałości  układu  izolacyjnego:  Tr  -  transformator  regula-cyjny, Tp  -

transformator  probierczy,  R

0

  -  rezystor  ograniczający,  DN  -  dzielnik  napięcia, Ve - wolto-

mierz elektrostatyczny

1.2. Przebieg pomiarów

Badanie wytrzymałości układu izolacyjnego, składającego się z  rury  ceramicznej  oraz  elektrod  pier-

ś

cieniowych, polega na doprowadzeniu do elektrod napięcia i  zwiększaniu go do chwili przeskoku. Mia-

rą wytrzymałości takiego układu izolacyjnego jest napięcie przeskoku.

W ćwiczeniu badamy wytrzymałość układu w zależności od odstępu między elektrodami pierścienio-

wymi.  Odstępy  między  elektrodami  ustawiamy  przesuwając  wzdłuż  rury  ceramicznej  górną  elektrodę
pierścieniową. Badania zaczynamy od najmniejszej odległości równej 4 cm, zwiększając odstępy o 2 cm.

Przy przeprowadzaniu pomiarów w polu probierczym wysokiego napięcia przemiennego należy postępować

zgodnie z instrukcją obsługi stanowiska i przepisami BHP.

Kolejność czynności:

a)

 

ustawiamy zadany odstęp między elektrodami (zgodnie z tabelą),

b)

 

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

 

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy napięcie przyłożone do elektrod (z
prędkością ok. 1 kV/s) aż do wystąpienia przeskoku,

d)

 

notujemy  wskazanie  woltomierza  elektrostatycznego  w  momencie  przeskoku  uwzględniając
przekładnię dzielnika,

e)

 

dla danej odległości między elektrodami pomiaru dokonujemy trzykrotnie.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla kolejnych odstępów między elektrodami. Wyniki po-

miarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 1.

Tabela 1. Wytrzymałość układu izolacyjnego uwarstwionego równolegle

Lp.

Odstęp

U

V

U

Vśr

U

p

cm

kV

kV

kV

1
2
3

4

gdzie: U

V 

- napięcie odczytane z woltomierza elektrostatycznego w momencie przeskoku, U

Vśr

 - średnia z

trzech pomiarów, U

p

 = 

ϑ

 

⋅

U

Vśr

 - wartość napięcia przeskoku po uwzględnieniu przekładni dzielnika.

– 11 –

2. Badanie wytrzymało

ści układu izolacyjnego z wyładowaniami ślizgowymi

(uwarstwienie uko

śne dielektryka stałego i powietrza)

2.1. 

 

Schemat układu

rura metalowa

elektrody

DN

Tp

Ve

Tr

rura
izolacyjna

Ro

V

A

Rys. 14.  Układ do badania wytrzymałości układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie: Tr - transforma-

tor regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R

0

 - rezystor ograniczający, DN - dzielnik napię-

cia, Ve - woltomierz elektrostatyczny

2.2. Przebieg pomiarów

Układ  o  uwarstwieniu  ukośnym  otrzymujemy  przez  włożenie  do  wnętrza  rury  ceramicznej  dodatko-

wej elektrody, w postaci metalowej rury, połączonej  galwanicznie  z  dolną  elektrodą  pierścieniową.  Ba-
danie  układu  z  występującymi  wyładowaniami  ślizgowymi  należy  przeprowadzić  w pomieszczeniu  za-
ciemnionym.  Podczas  podnoszenia  napięcia  należy  obserwować  wyładowania  pojawiające  się  na  po-
wierzchni izolacyjnej rury w pobliżu górnej elektrody. Pojawienie się pierwszych jasnych i ruch-liwych iskier
rozwijających się z głośnym trzaskiem na tle niebiesko świecących wyładowań oznacza osiągnięcie przez
układ napięcia początkowego iskier ślizgowych.

Kolejność czynności:

a)

 

ustawiamy zadany odstęp między elektrodami (zgodnie z tabelą),

b)

 

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

 

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do
elektrod (z prędkością ok. 1 kV/s) obserwując zachowanie się układu izolacyjnego,

d)

 

notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie pojawienia się iskier ślizgo-
wych oraz w momencie przeskoku uwzględniając przekładnię dzielnika,

e)

 

dla danej odległości między elektrodami pomiaru dokonujemy trzykrotnie

.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla kolejnych odstępów między elektrodami. Wyniki po-

miarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń dla układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie

Lp

Odstęp

U

Vśl

U

Vp

U

vśl.śr

U

Vpśr

U

0śl

U

pśl

cm

kV

kV

kV

kV

kV

kV

1
2
3

4

gdzie: U

Vśl

 - napięcie początkowe iskier ślizgowych odczytane z woltomierza,

U

Vp

 - napięcie wskazywane przez woltomierz w momencie przeskoku,

U

vśl.śr

 - średnia z trzech pomiarów napięcia początkowego iskier ślizgowych,

– 12 –

U

Vpśr

 - średnia z trzech pomiarów napięcia przeskoku,

U

0śl

 = 

ϑ

 

⋅

 U

vśl.śr

 - napięcie początkowe iskier ślizgowych,

U

pśl

 = 

ϑ

 

⋅

 

U

Vpśr

 - wartość napięcia przeskoku po uwzględnieniu przekładni dzielnika

.

3. Badanie wyładowa

ń ślizgowych w układzie izolacyjnym z płaskim dielektrykiem

3.1. 

 

Schemat układu

elektrody

dielektr yk

Ro

A

Tp

Tr

DN

Ve

V

Rys. 15.  Układ do badania wytrzymałości układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie: Tr - transformator

regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R

0

 - rezystor ograniczający, DN - dzielnik napięcia, Ve

- woltomierz elektrostatyczny

3.2. Przebieg pomiarów

Celem tych pomiarów jest wykazanie zależności napięcia początkowego iskier ślizgowych i napięcia

przeskoku od pojemności jednostkowej układu izolacyjnego. Realizujemy to w ten sposób, że dokonuje-
my  pomiarów  napięcia  początkowego  iskier  ślizgowych  i  napięcia  przeskoku  w  układzie  płaskim  uży-
wając jako dielektryka płyt izolacyjnych o różnych grubościach. Badania przeprowadzamy w pomieszcze-
niu  zaciemnionym.  Podczas  podnoszenia  napięcia  należy  obserwować  wyładowania  pojawiające  się  na  po-
wierzchni dielektryka w pobliżu mniejszej elektrody.

Kolejność czynności:

a)

 

montujemy układ pręt–dielektryk–płyta,

b)

 

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

 

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do
elektrod (z prędkością ok. 1 kV/s) obserwując zachowanie się układu izolacyjnego,

d)

 

notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie pojawienia się iskier ślizgo-
wych oraz w momencie przeskoku uwzględniając przekładnię dzielnika,

e)

 

dla danej grubości dielektryka pomiaru dokonujemy trzykrotnie.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla innych grubości płyty izolacyjnej. Pojemność

jednostkową obliczamy z wzoru

g

'

=

C

0

j

ε

ε

,

gdzie: 

ε

'

  -  przenikalność  dielektryczna  względna  dielektryka, 

ε

0

  -  przenikalność  próżni  (

ε

0

  =  10/36

π

[pF/cm]), g - grubość płyty.

Wyniki pomiarów i obliczeń wstawiamy do tabeli 3.

– 13 –

Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń dla układu izolacyjnego z płaskim dielektrykiem.

Oznaczenia jak w tabeli 2.

Lp.

Grubość

C

j

U

Vśl

U

Vp

U

0śl

 =  U

vśl.śr

 

⋅

 

ϑ

U

pśl

 = U

vpśr

 

⋅

 

ϑ

cm

pF/cm

2

kV

kV

kV

kV

1
2
3
4
5
6

4. Opracowanie wyników pomiarów

a)

 

Wykreślić na wspólnym wykresie zależność napięć U

p

, U

0śl

 i U

pśl

 od odległości ‘a’ między elektro-

dami dla układu uwarstwionego równolegle i ukośnie.

b)

 

Wykreślić zależności U

0śl

 = f

 

(C

j

) oraz U

pśl

 = f

 

(C

j

) dla układu ślizgowego z płaskim dielektrykiem

c)

 

Wnioski.