• tg delta czyli współczynnik strat dielektrycznych i jak przeciwdziałać tym stratą.

Współczynnik strat dielektrycznych tg δ - wielkość niemianowana charakteryzująca dielektryki. Wartość tę wyznacza tg δ - tangens kąta strat dielektrycznych, czyli stosunek natężenia składowej rzeczywistej (czynnej) IR do składowej urojonej (biernej) IC prądu elektrycznego płynącego przez dielektryk w zmiennym polu elektrycznym:

Zależność współczynnika strat dielektrycznych wyznaczają też konduktywność i przenikalność elektryczna ośrodka:

gdzie:

ω - pulsacja

γ - konduktywność

ε - przenikalność elektryczna

Wartość współczynnika zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury i natężenia pola elektrycznego, w którym dielektryk się znajduje.

Prąd płynący przez dielektryk przy napięciu sinusoidalnie zmiennym ma trzy składowe: składową czynną będącą prądem upływu (w fazie z napięciem), skła­dową czynną związaną z polaryzacją (także w fazie z napięciem) i składową bierną związaną z polaryzacją (wyprzedzającą napięcie o 90°). Suma geome­tryczna tych trzech składowych jest wypadkowym prądem obciążającym źródło. Prąd ten wyprzedza w fazie napięcie o kąt δ < 90°. Straty energii w dielektryku przy napięciu sinusoidalnie zmiennym charakteryzuje się za pomocą kąta δ, uzupełniającego kąt δ do 90°, zwanego kątem stratności dielektrycznej, lub czę­ściej za pomocą tangensa tego kąta (tgδ), zwanego współczynnikiem stratności dielektrycznej. Stosowane w elektrotechnice dielektryki ciekłe i stale przy na­pięciu przemiennym o częstotliwości 50 Hz mają tgδ rzędu najczęściej 10^-3, 10^-2. Starzenie dielektryku powoduje wzrost wartości tgδ .

Przepływ prądu elektrycznego przez dielektryki, spowodowany pewną ich znikomą konduktywnością, nie ma większego znaczenia dla działania urządzeń, w których stanowią one izolację elektryczną. Problemem jest natomiast prze­pływ znacznie większych prądów, związany z rosnącą konduktywnością dielek­tryków, spowodowaną ich jonizacją w silnym polu elektrycznym. Końcową fazę tego zjawiska nazwa się wyładowaniem elektrycznym.

Procesy jonizacyjne i dejonizacyjne dielektryku można podzielić na dwie grupy: procesy zachodzące na granicy faz metalowa elektroda - dielektryk i pro­cesy zachodzące w dielektryku. Oczywiście, na rodzaj zachodzących procesów jonizacyjnych i dejonizacyjnych oraz na ich intensywność wywiera znaczny wpływ, oprócz rodzaju dielektryku, jego stan skupienia. W przypadku dielektry­ku w postaci gazowej duże znaczenie ma też, oprócz rodzaju gazu, jego gęstość (ciśnienie), a w przypadku podciśnień (próżni) - ciśnienie gazów resztkowych. Wynika stąd, że w zwiększaniu konduktywności określonej postaci dielektryku, w danych warunkach fizycznych, w których ten dielektryk się znajduje, dominu­jącą rolę można przypisać ściśle określonym procesom jonizacyjnym.

Problem jest jeszcze bardziej złożony, gdy rozpatrujemy dielektryki stałe, które nie mają jednorodnej struktury. W ich strukturze występują np. mikropory, wtrącenia, szczeliny, szczególnie na granicy faz metalowa elektroda - dielektryk stały. Wynika stąd, że techniczny układ izolacyjny zwykle nie jest układem mo­delowym i w analizie możliwości inicjowania i rozwoju wyładowania elektrycz­nego należy brać pod uwagę także możliwość zapoczątkowania wyładowania w tych niejednorodnościach materiału.

Dalej będą omówione podstawowe procesy jonizacyjne dielektryków. W wy­niku tych procesów następuje przekształcenie atomów lub cząsteczek dielektry­ków w jony bądź też jony i/lub elektrony zostają do dielektryków wprowadzone. Powoduje to zwiększenie konduktywności dielektryków, a w konsekwencji mo­że spowodować rozwój wyładowania elektrycznego. Równocześnie z procesami jonizacyjnymi występują w dielektrykach procesy odwrotne - dejonizacyjne -polegające na zaniku lub miejscowym zmniejszeniu gęstości objętościowej (koncentracji) jonów i elektronów. W zależności od miejsca powstawania proce­sy jonizacyjne można podzielić na: przestrzenne, zachodzące w dielektryku, i powierzchniowe, zachodzące na granicy faz metalowa elektroda - dielektryk.

• Mostek Scheringa ( wytłumaczyć działanie mostka)

W pomiarach wysokonapięciowych podstawowym mostkiem jest mostek Scheringa. Znajduje on zastosowanie w badaniach profilaktycznych izolacji do pomiaru jej pojemności i rezystancji skrośnej, a przede wszystkim współczynnika strat dielektrycznych tgδ . Na rysunku poniżej przedstawiono dwa układy mostków Scheringa: prosty, gdy obiekt badany C_x nie ma bezpośredniego kontaktu z ziemią; odwrócony, gdy jedna z elektrod obiektu badanego jest bezpośrednio uziemiona. W pierwszym przypadku urządzenia służące do zrównoważenia mostka znajdują się pod niskim napięciem i są dostępne dla personelu obsługującego. W celu uniemożliwienia przedostania się do nich wysokiego napięcia są one chronione iskiernikiem. W drugim przypadku urządzenia te znajdują się pod wysokim napięciem i muszą być umieszczone w klatce Faradaya.

Głównymi wielkościami występującymi w poszczególnych gałęziach mostków są: pojemność C_x (z upływnością R_x) obiektu badanego, pojemność wzorcowa C₂, rezystancja regulowana R₃ i regulowany układ równoległy pojemnościowo-rezystancyjny C₄R₄ oraz wskaźnik równowagi, najczęściej galwanometr wibracyjny G.

Schematy mostka Scheringa: a) prostego; b) odwróconego (z klatką Faradaya)

Warunki równowagi obu rodzajów mostka są takie same i określone równością stosunku impedancji Z_x do impedancji Z₃ i stosunku impedancji Z₂ do impedancji Z₄, czyli

Uwzględniając, że

oraz że tgδ << 1 otrzymuje się

Dokładność pomiaru tych wielkości zależy od czułości mostka, jakości elementów wzorcowych, zwłaszcza kondensatora C2, i od wyeliminowania wpływu sprzężeń pojemnościowych, czemu służy starannie wykonane ekrano­wanie.

• Zjawisko ulotu

Sieć najwyższych napięć używana jest w tym samym celu, co sieć wysokiego napięcia, czyli do przesyłu energii elektrycznej na dużych odległościach. Straty mocy w przewodzie są bowiem proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu elektrycznego przepływającego przez przewodnik - dlatego też podwyższanie napięcia służy obniżaniu tych strat.

Okazuje się jednak, że wraz ze wzrostem napięcia maleją co prawda straty spowodowane nagrzewaniem się przewodu, ale powiększają się straty energii związane z ulotem wysokiego napięcia - tzw. wyładowanie niezupełne, szczególnie na wszystkich ostrych krawędziach jak izolatory itp. oraz przy niesprzyjającej pogodzie, ale także wokół przewodu. Ulot jest zjawiskiem polegającym na wyładowaniach niezupełnych wokół przewodu. Dla przewodów o większych krzywiznach (mała średnica) oraz przy złej pogodzie (mgła, deszcz) ulot znacznie się nasila, powodując duże zakłócenia radioelektryczne. Konsekwencją ulotu są również straty mocy i energii w liniach przesyłowych i stacjach. Uwzględniając sumaryczną długość linii napowietrznych o napięciu 110 kV i wyższym, straty mocy i energii osiągają wartości mające duże znaczenie ekonomiczne. Z tego względu dąży się do maksymalnego ograniczenia ulotu.

Przy napięciach znamionowych o wartości mniejszej niż 110 kV ulot nie odgrywa większej roli. Zjawisko ulotu można łatwo zaobserwować w nocy, zwłaszcza przy dużej wilgotności powietrza. Objawia się ono świetlistą aureolą wokół przewodów w połączeniu z wyraźnie słyszalnymi trzaskami i brzęczeniem.

W celu ograniczenia skutków ulotu stosuje się minimalne przekroje przewodów w zależności od napięcia - im wyższe napięcie, tym większy minimalny przekrój przewodu.

Widoczne świetlenie, zwane potocznie ulotem lub koroną pojawia się na przewodach z chwilą osiągnięcia przy powierzchni natężenia pola odpowiadającemu natężeniu początkowemu Uo. Według Peeka

gdzie r - promień przewodu w cm.

Natężeniu Eo odpowiada napięcie początkowe Uo nazywane napięciem ulotu. Wielkości Uo i Eo są ze sobą związane i zależą od geometrii układu tj. odstępu przewodów i ich promienia. Zakładając w określonych warunkach Eo można obliczyć Uo przy danych a i r lub częściej wybrać r przy danych Uo i a.

Upływ ładunków z przewodów linii pod wpływem napięcia wyższego od napięcia, przy którym osiągane jest natężenie jonizacji, powoduje straty zwane stratami ulotowymi. Straty te wyznacza się ze wzoru eksperymentalnego Peeka

w którym: f - częstotliwość napięcia roboczego linii w Hz; U - wartość skuteczna roboczego napięcia międzyprzewodowego linii w kV; Uj - wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego, przy którym powstaje przy przewodzie natężenie jonizacji; r - promień przewodów w cm; a - odstęp przewodów w cm.

Ulot powstający w liniach, oprócz powodowania strat energii, jest przyczyną niszczącego działania na izolację linii, otoczenie oraz wywołuje zakłócenia radiotelekomunikacyjne. Ulotowi przeciwdziała się poprzez wybór dostatecznie dużej średnicy przewodów. Jeżeli to jest niemożliwe, z powodu konieczności zachowania przekroju i wagi przewodów, to stosuje się przewody rurowe lub przewody wiązkowe. Są to przewody równoległe ustawione przestrzennie względem siebie tak, aby wytwarzane przez nie pole wokół wiązki miało możliwie małe natężenie.

• Wyładowania powierzchniowe.

Na izolacyjne własności izolatorów napowietrznych istotny wpływ posiada utworzona na

powierzchni warstwa zabrudzeniowa. Należy to uwzględniać, szczególnie w rejonie nadmorskim oraz

rejonach uprzemysłowionych, bowiem zanieczyszczenia na tych rejonach zawierają szczególnie dużo

rozpuszczalnych i zdolnych do dysocjacji substancji. Warunkuje to dużą elektroprzewodność warstwy

zabrudzeniowej ulegającej zawilgoceniu w wyniku mgły lub kondensacji pary.

Przy idealnie równomiernej elektroprzewodności warstwy, występuje jednorodny rozkład pola,

odpowiadający polu prądu elektrycznego. Jednakże przy powstaniu podsuszonych obszarów, rozkład

pola zostaje silnie zakłócony. Powstają lokalne wyładowania, które w końcu mogą doprowadzić do

pełnego wyładowania powierzchniowego. Na rysunku poniżej przedstawiono kolejne etapy rozwoju wyładowania aż do wystąpienia przeskoku.

Etapy wyładowania na zabrudzonej powierzchni

Zakłada się, że powstaje bardziej suchy, ograniczony obszar (rys. 13,a). Elektroprzewodność tego

obszaru jest niewielka. Powyżej i poniżej od osuszonego obszaru wzrasta gęstość prądu i ma tam miejsce zwiększone wydzielanie energii. Wynikiem tego jest bardziej szybkie osuszanie. Suchy obszar rozszerza się w kierunku prostopadłym do kierunku linii sił pola (rys. 13,b). Zjawisko to następuje do momentu osuszenia całej szerokości izolatora lub całego obwodu w przypadku cylindrycznego izolatora.

Ten wąski, suchy pasek nie wytrzymuje całego przyłożonego napięcia i dlatego występuje na nim

wyładowanie powierzchniowe lokalne lub wyładowania wielomiejscowe (rys.13,c). W oporowych

punktach łuku występuje podwyższona gęstość prądu, prowadząca do szybszego wysychania tych miejsc.

W ten sposób sucha strefa rozszerza się także w kierunku linii sił pola (rys. 13,d). Przy przemieszczaniu się łuku zachodzi rozszerzanie suchej strefy do tej chwili, aż zostanie pokryta cała przerwa między elektrodami łukiem, tzn. dopóki nie nastąpi pełny przeskok. Przy tym dla rozprzestrzeniania się suchej strefy i rozwoju przeskoku decydującymi czynnikami są charakterystyki łuku. Opisany rozwój przeskoku może doprowadzić do pełnego przeskoku tylko w przypadku, jeśli w czasie wszystkich etapów łuk będzie palił się stabilnie.

• Wyładowania ślizgowe.

Wyładowania ślizgowe są szczególną postacią wyładowań w powietrzu lub innych gazach, występują przy współpracy dielektryka gazowego z innym dielektrykiem stałym o większej przenikalności dielektrycznej. Wyładowania takie powstają przy napięciach zmiennych, gdy układ dielektryczny ukształtowany jest w sposób jak na rys.9.

Układ dielektryczny, w którym powstają wyładowania ślizgowe przy ε2 > ε1

Szczególną cechą tego ukształtowania jest tworzenie się jakby równoległego połączenia trzech układów dielektrycznych, w których linie natężeń pola np. linie 1, 2 lub 3, wskutek odmiennego kształtu elektrod przechodzą przez różne ośrodki o różnej wytrzymałości dielektrycznej. W stosunku do układu drugiego wytrzymałość na przebicie układu pierwszego i trzeciego jest wysoka, gdyż w pierwszym znajduje się dielektryk stały o dużej wytrzymałości, w trzecim zaś odległość elektrod w powietrzu jest duża. W drugim układzie (uwarstwionym szeregowo) naprężenia dielektryczne rozkładają się odwrotnie

proporcjonalnie do przenikalności elektrycznych i natężenia pola w części linii 2, przebiegającej przez

powietrze, są wysokie gdyż ε2>ε1, czemu sprzyja niejednorodność pola w przypadku zakrzywienia

powierzchni mniejszej elektrody.

Przy podnoszeniu napięcia pomiędzy elektrodami, przy mniejszej elektrodzie, pojawiają się tuż przy powierzchni dielektryka stałego w powietrzu, wyładowania świetlące. Kierunek rozwoju tych wyładowań jest styczny do powierzchni granicznej pomiędzy dielektrykiem stałym i powietrzem. Prąd wyładowań zamyka się pojemnościowo przez pojemność C dielektryka stałego. W miarę wzrostu napięcia obszar wyładowań świetlących przy mniejszej elektrodzie powiększa się i długość wyładowań rośnie, przy czym zwiększa się pojemność C, tworzona przez wyładowania i prąd wyładowań wzrasta. Przy osiągnięciu pewnej wartości napięcia nazywanej napięciem początkowym wyładowań ślizgowych U_ośl prąd wyładowań jest tak duży, Że zaczyna powodować termiczną jonizację w kanałach wyładowań zmieniając je w silnie świecące długie iskry zwane ślizgowymi, powodujące powstanie dużych natężeń

pola na swych końcach.

Natężenia te sprawiają, że niewielkie dalsze podnoszenie napięcia ponad U_ośl znacznie wydłuża iskry, co może doprowadzić do połączenia elektrod wyładowaniem przebiegającym po powierzchni dielektryka stałego. Przebicie takie może wystąpić przy napięciu Up znacznie niższym, niż byłoby potrzebne do przebicia tej samej drogi w powietrzu, wzdłuż linii pola 3, gdyby istniał tylko trzeci składowy układ dielektryczny.

Napięcie początkowe wyładowań ślizgowych U_ośl jest tym niższe, im wcześniej powstają świetlenia i im większy jest prąd wyładowań. Świetlenia powstaną tym szybciej, im większa jest wartość ε2 w stosunku do εl. Powstaniu iskier ślizgowych sprzyja wzrost pojemności C, która tworzona jest poprzez dielektryk stały tuż przy mniejszej elektrodzie. Wg Toeplera przy napięciach przemiennych napięcie U_ośl może być oszacowane na podstawie wzoru doświadczalnego

gdzie U_ośl jest wartością skuteczną napięcia sinusoidalnego, powodującego wyładowania przy wartości

szczytowej
U_ośl, a C jest pojemnością jednostkową w F/cm² dielektryka stałego, zawartego pomiędzy większą elektrodą a 1cm2 powierzchni, rozdzielającej dielektryki tuż przy elektrodzie mniejszej.

Wyładowania ślizgowe w układzie cylindrycznym

a) wyładowania z cienkimi kanałami

b) drzewopodobne wyładowania

Przeciwdziałać wyładowaniom ślizgowym można podwyższając grubość dielektryka stałego, co wpływa na zmalenie C, lub zmieniając proporcje wymiarów elektrod. Na rysunku 12 przedstawiono przykładowo sposób przeciwdziałania wyładowaniom przez metalizowanie części powierzchni granicznej dielektryków oraz pogrubianie dielektryka stałego drogą tworzenia karbów w izolatorze przepustowym.

Przeciwdziałanie wyładowaniom ślizgowym przez :

a) metalizację; b) karbowanie powierzchni granicznej

Wyładowań ślizgowych można uniknąć również projektując układ izolacyjny tak, aby rozkład naprężeń wzdłuż linii natężenia pola był bardziej wyrównany. Można to osiągnąć np. w izolatorach stosując wewnątrz dielektryka stałego ekrany, bądź stosując pokrycia półprzewodzące nie dopuszczające do powstawania wyładowań powierzchniowych.

6. Wyładowania w dielektrykach.

Wytrzymałość dielektryczna dielektryków stałych

Wiadomości podstawowe

Przebicie dielektryka stałego, podobnie jak w przypadku dielektryka gazowego i ciekłego, polega na wytworzeniu się wyładowania i drogi silnie przewodzącej zwierającej elektrody układu izolacyjnego. Po wyłączeniu napięcia po przebiciu, dielektryk stały nie regeneruje się, przebicie powoduje trwałe zniszczenie układu i połączenie elektrod utworzoną, często zwęgloną drogą przewodzącą. Przebicie dielektryka stałego może być skutkiem zarówno osiągnięcia określonej wartości napięcia, jak i zmiany właściwości dielektryka przy danym napięciu. W każdym przypadku mechanizm przebicia może być złożony i wywołany pojedynczo lub wspólnie przez różne zjawiska fizyczne o niezależnych przyczynach.

Dielektryk stały najczęściej współpracuje równolegle z innym dielektrykiem ciekłym lub gazowym, którym jest zazwyczaj powietrze. Przy jednoczesnym naprężeniu dielektryka gazowego o mniejszej wytrzymałości, przy wzroście napięcia, najczęściej dochodzi do wyładowania w gazie, nazywanego przeskokiem na izolatorze stałym, który nie ulega przebiciu.

Celem spowodowania przebicia, dla określenia wytrzymałości dielektrycznej, dokonuje się zamiany współpracującego powietrza na dielektryk bardziej wytrzymały np. przez zanurzenie izolatora stałego w oleju. W przypadkach, gdy to jest niemożliwe lub niecelowe określa się wytrzymałość dielektryków stałych nie na kompletnych wyrobach lecz na próbkach materiału stałego.

Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego

Mechanizm elektryczny nazywany jest również elektronowym lub mechanizmem istotnego przebicia dielektryka stałego. W mechanizmie tym podstawową rolę odgrywają wolne elektrony, pozostające w paśmie przewodnictwa ciała stałego, przyspieszane siłami pola. Wzrost natężenia pola i energii elektronów prowadzi do wybijania nowych elektronów z siatki strukturalnej dielektryka i do powstawania lawin. Związane jest z tym lokalne ogrzanie dielektryka, stopienie i wytworzenie przewodzącego kanału poprzez przestrzeń odgazowaną, która pozostaje w postaci trwałego uszkodzenia dielektryka.

Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego może być obserwowany wówczas, gdy czas przyłożenia napięcia jest krótki. Zachodzi on w praktyce przy napięciach udarowych.

W polach niejednorodnych przy jednokrotnym działaniu impulsu napięcia, mechanizm elektryczny prowadzić może do wytworzenia kanału wyładowania jedynie na pewnej drodze uszkadzając trwale część dielektryka w przestrzeni międzyelektrodowej. Ponowne przyłożenie napięcia spowodować może wydłużenie się kanału, który łączy często elektrody dopiero po pewnej liczbie udarów. Zjawisko to nosi nazwę kumulacji przebić częściowych i jest łatwo obserwowane w dielektrykach przezroczystych.

Mechanizm cieplny przebicia dielektryka stałego

Mechanizm cieplny przebicia występuje przy napięciach działających na dielektryk stały przez czas dłuższy np. kilka godzin. Stan taki zachodzi przy napięciach stałych i przemiennych. Ze względu na istniejące w dielektryku straty dielektryczne dielektryk nagrzewa się. Przy napięciach stałych straty wywołane są głównie przez przewodność skrośną. Przy napięciach przemiennych są one większe, gdyż do strat przewodnictwa dochodzą straty na polaryzację dielektryka proporcjonalne do jego przenikalności dielektrycznej i częstotliwości napięcia. Dielektryk po przyłożeniu napięcia nagrzewa się i

wzrost lub ustalenie jego temperatury uzależnione są od warunków chłodzenia, od przewodności cieplnej dielektryka oraz od wysokości i zmian napięcia. Przy nadmiernym wzroście temperatury możliwe jest zniszczenie dielektryka przez stopienie, odparowanie, spalenie lub zwęglenie w znacznej objętości lub w ograniczonym kanale, w którym wydzielanie ciepła mogło być największe. Ze względu na obecność napięcia i natężenia pola przegrzanie dielektryka ułatwia lub staje się bezpośrednią przyczyną powstania elektrycznego mechanizmu przebicia, lecz przy napięciu przebicia znacznie niższym, niż wynikałoby z wytrzymałości określonej przebiciem istotnym. Problem przebicia cieplnego występuje szczególnie drastycznie w układach izolacyjnych pracujących przy napięciach przemiennych o wielkiej częstotliwości

Mechanizm jonizacyjno - starzeniowy przebicia dielektryka stałego

Jednocześnie z elektrycznym i cieplnym mechanizmem przebicia w dielektrykach stałych występuje i inne formy wyładowania, charakteryzujące się tym, że przebicie zachodzi po długim czasie przyłożenia napięcia. Temu procesowi przebicia towarzyszą wyładowania niezupełne ( w skrócie `wnz` ), powstające wewnątrz izolacji w szczelinach między warstwami, pęknięciach, pustych miejscach lub przy zanieczyszczeniach. W tych miejscach wad technologicznych (defektach) występuje zwiększone natężenie pola powyżej wytrzymałości elektrycznej materiału i następuje nieodwracalne uszkodzenie dielektryka w postaci rozgałęzionych kanałów. Kanały te rozwijają się w funkcji czasu, dopóki nie pokryją całego odstępu między elektrodami.

Ten rodzaj wyładowania o długim czasie rozwoju nazywany jest wyładowaniem drzewiastym.

Powstawanie wyładowań we wtrącinach zaczyna się po doprowadzeniu do układu napięcia zwanego napięciem jonizacji lub progiem jonizacji dielektryka stałego. Po przekroczeniu tego napięcia w dielektryku rosną straty i wzrasta energia pobierana ze źródła. Wzrasta więc istotnie wartość tg d, wskaźnika strat dielektrycznych.

Zależność tg d izolacji stałej z wtrącinami gazowymi od napięcia U.

Starzeniem nazywamy procesy zachodzące w dielektrykach, w wyniku których zmienia on i traci własności izolacyjne. Starzenie wynika nie tylko w wyniku oddziaływania pola elektrycznego, lecz również jest wynikiem zmian chemicznych bądź fizycznych zachodzących np. skutkiem utleniania, depolimeryzacji, działania ciepła, promieniowania itp. Na procesy te są częściej narażone materiały pochodzenia organicznego, przy czym starzenie występuje głównie wskutek działania cieplnego i wyładowań niezupełnych. Dlatego przy doborze wymiarów izolacyjnych konstrukcji z izolacją stałą należy uwzględniać nie tylko wytrzymałość krótkotrwałą, ale także i długotrwałą określoną stratami

• dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natężenie winno być wybrane dużo mniejsze, niż natężenie przy którym występują wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas życia izolacji przyjmuje się obecnie na nie mniejszy niż 20 lat.

• Wyładowania w gazach.

Wyładowania w gazach powstają wówczas, gdy liczba zjonizowanych cząsteczek gazu jest na tyle duża, że gaz staje się przewodzący i pod wpływem pola elektrycznego przepuszcza prąd pomiędzy elektrodami układu izolacyjnego. Forma wyładowań zależy od wartości prądu i stopnia zjonizowania gazu.

W układach o polu jednorodnym wyładowania występują zwykle wzdłuż całej drogi łączącej elektrody. Takie wyładowania noszą nazwę wyładowań zupełnych . Gdy wyładowanie przy polu niejednorodnym występuje tylko na części tej drogi, nazywane jest niezupełnym. Dalsza klasyfikacja dotyczy zwykle widocznych form wyładowań. Wyładowania zupełne w miarę wzrostu prądu przyjmować mogą formy iskry lub łuku. Przy obniżonych ciśnieniach obserwuje się wyładowania jarzeniowe. Wyładowania niezupełne, gdy zajmują nieznaczny obszar w polach niejednorodnych, mają postać świetlenia. Gdy obszar zajęty wyładowaniem i prąd w układzie wzrasta, świetlenia przechodzą w snopienia o postaci iskier pokrywających część przestrzeni pomiędzy elektrodami.

Wyładowania w gazach powstają wówczas, gdy liczba zjonizowanych cząsteczek gazu jest na tyle duża, że gaz staje się przewodzący i pod wpływem pola elektrycznego przepuszcza prąd pomiędzy elektrodami układu izolacyjnego. Forma wyładowań zależy od wartości prądu i stopnia zjonizowania gazu.

W układach o polu jednorodnym wyładowania występują zwykle wzdłuż całej drogi łączącej elektrody. Takie wyładowania noszą nazwę wyładowań zupełnych . Gdy wyładowanie przy polu niejednorodnym występuje tylko na części tej drogi, nazywane jest niezupełnym. Dalsza klasyfikacja dotyczy zwykle widocznych form wyładowań. Wyładowania zupełne w miarę wzrostu prądu przyjmować mogą formy iskry lub łuku. Przy obniżonych ciśnieniach obserwuje się wyładowania jarzeniowe. Wyładowania niezupełne, gdy zajmują nieznaczny obszar w polach niejednorodnych, mają postać świetlenia. Gdy obszar zajęty wyładowaniem i prąd w układzie wzrasta, świetlenia przechodzą w snopienia o postaci iskier pokrywających część przestrzeni pomiędzy elektrodami.

Przy założeniu, że jeden elektron powoduje w gazie α zderzeń jonizujących na drodze 1 cm,

to przy no wybiegających z katody dociera do anody po przejściu drogi a

elektronów powodujących przepływ prądu

Współczynnik α współczynnikiem jonizacji. Zależy on od rodzaju gazu, natężenia pola i gęstości gazu δ.

Przy dalszym wzroście natężenia pola, począwszy od wartości napięcia U2, prąd w układzie wzrasta szybciej niżby to wynikało ze wzoru. Przyczyną tego są tzw. procesy wtórne na katodzie. Polegają one na tym, że każdemu zderzeniu jonizującemu elektronu z gazem towarzyszy dodatkowa emisja g nowych elektronów z katody. Elektrony te mogą powstawać pod wpływem uderzeń jonów dodatnich (γi), fotoemisji wywołanej promieniowaniem (γp) jonizowanego gazu oraz dyfuzji do katody wzbudzonych cząsteczek gazu (γm) tak, że

Współczynnik γ nazywany jest współczynnikiem jonizacji wtórnej. Ponieważ pod wpływem pola każdy elektron na drodze do anody a wywołuje
zderzeń jonizujących, z katody wyzwoli się dodatkowo
nowych elektronów, które zaczynają brać udział w tworzeniu nowych lawin. W takim razie do anody dociera w ciągu sekundy

elektronów tworząc prąd

W miarę wzrostu natężenia pola rosną  i γ tak, że przy pewnej wartości napięcia Uo, nazywanego napięciem początkowym

Warunek określony powyższym równaniem nazywany jest kryterium przebicia. Równanie to należy rozumieć następująco: po osiągnięciu napięcia Uo jeden elektron wychodzący początkowo z katody, powodując lawinę na drodze a, wywołuje emisję z katody (procesy wtórne) co najmniej jednego nowego elektronu, który może go zastąpić w procesie przewodzenia prądu przez gaz. Przewodzenie to nie zniknie nawet po usunięciu źródła początkowych elektronów i nosi nazwę wyładowania samodzielnego. Gdy liczba nowych elektronów wyzwalanych z katody jest mniejsza od liczby elektronów początkowych,

przewodzenie prądu może istnieć tylko przy udziale początkowego jonizatora katody i nosi nazwę wyładowania niesamodzielnego. Stan taki zachodzi dla napięć niższych od Uo. Przy spełnieniu warunku ostatniego równania prąd w układzie izolacyjnym jest ograniczony głównie impedancją źródła napięcia i wyładowanie samodzielne, w zależności od wartości prądu, przyjmuje postać jarzenia, łuku lub iskry. W każdym przypadku układ izolacyjny o polu jednorodnym traktuje się jako przebity i napięcie początkowe Uo jest równoznaczne z napięciem przebicia gazu.

Prawo Paschena

Rachunek matematyczny oraz eksperymenty wykazują, że napięcie początkowe Uo jest funkcją iloczynu gęstości gazu δ i odstępu między elektrodami, a przy stałej temperaturze -funkcją iloczynu ciśnienia p gazu i odstępu a między elektrodami
. Zależność ta jest przedstawiona wykreślnie na rysunku poniżej i jest znana pod nazwą prawa Paschena.

Minimum krzywej odpowiada minimalnej energii niezbędnej do spełnienia warunku

wyładowania samodzielnego czyli kryterium przeskoku.

Prawo Paschena ujmuje ważną zasadę podobieństwa. Układy izolacyjne o określonych rozkładach pól, mające określone napięcie przebicia Uo przy pewnym ciśnieniu, mogą być odtwarzane w zmniejszonej skali przy ciśnieniu podwyższonym w tej samej skali.

Mechanizm kanałowy wyładowań w gazach

Teoria Townsenda ogranicza się do ilościowego ujęcia rozwoju wyładowania nie tłumacząc przyczyn powstawania wyładowań w większej przestrzeni w ograniczonym przestrzennie kanale, często o nieregularnym kształcie oraz nie wyjaśnia wyładowań w polach niejednorodnych., a zwłaszcza krótkich czasów rozwoju wyładowań. Ostateczny opis zjawisk podali Loeb, Meek i Raether formułując teorię mechanizmu kanałowego nazywaną często teorią strimerów.

Zgodnie z tą teorią po osiągnięciu w układzie płaskim napięcia Uo lawina elektronowa rozpoczyna się przy katodzie i wydłuża się w stronę anody z prędkością rzędu 10^7 cm/s. Lawina tworzy wskutek dyfuzji kroplowaty kształt. Czoło lawiny (2) stanowią elektrony, pozostawiając w ogonie (1) znacznie mniej ruchliwe jony dodatnie. Lawina odkształca pole powodując wzrost natężenia przed i za sobą, osłabiając je wewnątrz zajmowanej przestrzeni.

Zmiana rozkładu pola powodowana przez lawinę

Po dojściu czoła lawiny do anody elektrony ulegają przez nią wchłonięciu pozostawiając w przestrzeni stożek ładunków dodatnich. Stożek ten wytwarza silne pole dodatkowe przy jednoczesnym promieniowaniu atomów wzbudzonych, co wywołuje wtórne lawiny wokół stożka w pobliżu czoła lawiny, gdzie wzmocnienie pola głównego jest największe. Wtórne lawiny dochodzą do stożka oddając mu elektrony posiadane na czole, zaś ich jony dodatnie wzmacniają ładunek przestrzenny lawiny pierwotnej. Od strony anody wytwarza się kanał plazmowy, zwany dlatego anodowym, obszar podwyższonego pola stożka przesuwa się natomiast ku anodzie powodując nowe lawiny wtórne. Mechanizm ten postępuje bardzo energicznie i kanał plazmowy wydłuża się ku katodzie z prędkością rzędu 10^8 cm/s. Po osiągnięciu katody kanał tworzy iskrę o skończonej średnicy, a pomiędzy elektrodami przepływa prąd.

Rozwój kanału plazmowego anodowego

W przypadku przyłożenia do elektrod układu napięcia wyższego od Uo, mechanizm tworzenia kanału plazmowego może być nieco inny, Początkowa lawina wychodząca z katody może powodować przed czołem wskutek silnego promieniowania nową lawinę wtórną. Elektrony lawiny pierwotnej dochodząc do dodatniego końca lawiny wtórnej tworzyć będą kanał plazmowy. Ponieważ jednocześnie przed lawiną wtórną powstawać mogą następne lawiny, pomiędzy elektrodami tworzyć się będzie kanał plazmowy przez łączenie lawin składowych. Mechanizm taki tłumaczy obserwowany często załamany kształt wyładowania lub stwierdzoną większą prędkość tworzenia się kanału.

Rozwój kanału przez łączenie kolejnych lawin

Wyładowania w gazach w polu niejednorodnym

Jako przykład pola skrajnie niejednorodnego służyć może układ ostrze - płyta. W układzie tym największe naprężenia występują przy ostrzu i bez względu na biegunowość ostrza wyładowania w gazie rozpoczynają się od jego końca. Gdy ostrze jest ujemne początkowa lawina rozwija się od ostrza podobnie jak polu jednorodnym. Ze względu na to, że przy wzroście odległości od ostrza natężenie pola maleje, lawina dochodzi tylko do pewnej odległości, po czym w sposób podobny jak w układzie płaskim przetwarza się wstecz w kanał plazmowy. Ponieważ kanał jest silnie przewodzący, na końcu kanału od strony anody powstaje duże natężenie pola, które przy współudziale promieniowania daje początek nowej lawinie. Ta z kolei przebiega również tylko do pewnej odległości, gdyż natrafia na zmniejszające się natężenie pola. Druga lawina przetwarza się znowu wstecz ku katodzie w nowy odcinek kanału plazmowego przedłużającego się ku końcowi pierwotnego kanału. Łącząc się z nim tworzy kanał o większej długości. Szereg powstających kolejno lawin i nowych kanałów przedłuża kanał plazmowy

skokami ku anodzie tworząc katodowy kanał plazmowy. Kanał taki nazywany jest często wyładowaniem wstępnym, gdyż przy większych odstępach elektrod, po dojściu kanału do anody, z końca kanału wyciągane są energicznie elektrony i obszar wyciągania przesuwa się przy intensywnym świeceniu ku katodzie tworząc kanał o większej przewodności zwany wyładowaniem głównym.

Rozwój kanału w układzie niejednorodnym ostrze - płyta

a) przy ostrzu ujemnym b) przy ostrzu dodatnim

Gdy ostrze jest dodatnie początkowa lawina rozpocząć się musi w pewnej odległości od ostrza i rozwinąć się musi w kierunku ostrza. Wymaga to większego natężenia pola przy ostrzu. Po dojściu do ostrza lawina przekształca się w kanał plazmowy przedłużający się ku katodzie. Ponieważ koniec lawiny zawiera ładunki dodatnie stanowi jak gdyby przedłużenie elektrody ostrzowej i wytwarza duże natężenie pola, co sprzyja powstaniu nowej lawiny przed czołem kanału. Lawiny takie rozwijają się w kierunku anody równocześnie z przedłużeniem się kanału plazmowego ku katodzie. Tak rozwijający się kanał plazmowy nazywamy anodowym. Przedłużenie to odbywa się w sposób ciągły aż do osiągnięcia katody

przez czoło kanału. Po osiągnięciu katody powstaje wyładowanie główne. Przy innym układzie elektrod o polu niejednorodnym mechanizm tworzenia się kanału plazmowego może być jeszcze bardziej złożony. Kanały mogą się rozwijać zarówno z katody, jak i z anody, w zależności od miejsc usytuowania największych naprężeń oraz źródeł początkowych elektronów dla tworzenia lawin. Kanały mogą się tworzyć równolegle, łączyć w gałęzie lub wstęgi, przebiegające od jednej do drugiej elektrody, mogą wreszcie nie doprowadzać do całkowitego zwarcia elektrod przyjmując formę wyładowań niezupełnych.

• Wyładowania w cieczach.

Mechanizm przebicia oleju jest złożony i zależny od jakości i własności badanego oleju.

Na mechanizm ten składać się może szereg zjawisk, rozpatrywanych często niezależnie jako odrębne mechanizmy tworzenia się w oleju wyładowań elektrycznych.

Mechanizm elektronowy przebicia oleju

W oleju pozbawionych zanieczyszczeń stałych, płynnych lub gazowych przebicie układu izolacyjnego, podobnie jak w gazach, odbywa się na zasadzie tworzenia kanału plazmowego pomiędzy elektrodami. Osiągnięcie dużych natężeń pola przy katodzie staje się przyczyną autoemisji i jonizacji zderzeniowej prowadzącej do lawin, przy jednoczesnym powstawaniu ładunku przestrzennego, odkształcającego rozkład pola. Ruch elektronów powoduje równocześnie nagrzewanie i wrzenie otaczającej cieczy, wskutek czego kanał wyładowania tworzy się w postaci gazowego kanału plazmowego. Rozwój tego kanału jest jednak wolniejszy niż w gazie i odbywa się z prędkością rzędu 3×10^5 cm/s.

W oleju obserwowane być mogą wyładowania niezupełne w postaci świetleń, snopień i pozałamywanych kanałów. Powstające wyładowania rozkładają olej, przy czym produkty rozkładu zmieniają stopień czystości oleju i mogą wpływać na mechanizm wyładowania. Przyjmuje się, że olej, w którym powstają wyładowania, traci własności izolacyjne, wskutek czego ważne jest niedopuszczanie do wyładowań.

Mechanizm gazowy przebicia oleju

Mechanizm ten zachodzi w oleju czystym lecz nieodgazowanym, w którym znajdujący się w postaci pęcherzyków gaz może być wynikiem parowania składników lotnych, np. przy podgrzaniu, lub wynikiem zawartości powietrza. Mechanizm ten nazywany jest często jonizacyjnym. Pęcherzyki gazowe stają się zalążkami jonizacji lawinowej i silnie zjonizowany pęcherzyk staje się elementem kanału plazmowego. Pęcherzyk gazowy powiększa się i wydłuża w kierunku pola. Mechanizm gazowy tłumaczy obserwowaną często zależność wytrzymałości dielektrycznej oleju od ciśnienia, które wpływa na wartość naprężenia początkowego jonizacji w pęcherzykach gazowych.

Mechanizm mostkowy przebicia oleju

Mechanizm mostkowy występuje w oleju zanieczyszczonym. Przyczyną zanieczyszczeń mogą być ciała stałe, najczęściej włókniste oraz płynne, z których najważniejszą rolę odgrywa wilgoć. Włókna zanieczyszczeń ulegają przemieszczaniu w polu elektrycznym i zajmują ukierunkowane siłami pola. Przy dużej gęstości zanieczyszczeń i przy jednoczesnym ich zawilgoceniu mają one tendencję do ustawiania się wzdłuż linii natężeń pola tj. na drodze, na której formuje się kanał wyładowania. Włókna łącząc się w tzw. mostki, wytwarzają pomiędzy elektrodami drogę o obniżonej wytrzymałości. Ponieważ tworzenie się mostka jest stosunkowo wolne, mechanizm mostkowy odgrywa rolę przy napięciach stałych i wolnozmiennych. Przy napięciach udarowych ten mechanizm nie występuje. Temu mechanizmowi przebicia można skutecznie przeciwdziałać stawiając pomiędzy elektrody układu izolacyjnego w przestrzeniach wypełnionych olejem przegrody izolacyjne z materiału stałego o niewielkiej grubości.

Zależność natężenia przebicia oleju transformatorowego Ed w funkcji wilgotności względnej w

• Wyładowania w próżni.

Zachodzi wówczas gdy odległość między cząsteczkami gazu otaczającego elektrody jest większa od odległości międzyelektrodowej i niemożliwy jest rozwój lawiny elektronowej.

Mechanizm próżniowy dotyczy przypadku, w którym odległość między cząsteczkami gazu otaczającego elektrody jest większa niż odstęp między-elektrodowy i niemożliwy staje się rozwój lawiny elektronowej. Warunkiem rozwoju wyładowania jest wtedy wystąpienie w przestrzeni przyelektrodowej zjonizowanych par metalu. W ich tworzeniu mogą mieć udział następujące zjawiska:

• emisja polowa (termopolowa) elektronów; makrocząsteczkowe (bryłkowe) bombardowanie elektrod;

• międzyelektrodowa wymiana cząstek.

Emisja polowa jest możliwa dzięki zróżnicowanej mikrostrukturze powierzchni katody. Na mikroostrzach tej powierzchni, które niezależnie od jej gładkości zawsze występują, natężenie pola może z łatwością wzrosnąć lokalnie do wartości 10⁴ — 10⁵ kV • cm^-1 (osiągane wartości współczynnika wzmocnienia pola wynoszą 10¹ -- 10³). Wartości takie wystarczają do wywołania z mikro-ostrza prądu emisji o gęstości, przy której następuje parowanie metalu. Emitowane elektrony są przyspieszane w bardzo silnym polu i z dużą energią uderzają w anodę, powodując jej rozgrzanie i lokalne odparowanie. Do wystąpienia wyładowania może doprowadzić albo parowanie anody (anodowe inicjowanie przeskoku), albo parowanie mikroostrza katody (katodowe ini­cjowanie przeskoku). Zależy to od tego, które z tych zjawisk ma większą intensywność. Wskaźnikiem jest tu wartość współczynnika wzmocnienia pola przez mikroostrze katody β_E. Katodowe inicjowanie przeskoku zachodzi przy spełnieniu warunku

gdzie: rc; - promień mikroostrza; j ~ średnia gęstość prądu emisji; E - średnie natężenie pola w przestrzeni międzyelektrodowej; W_a - moc doprowadzona do anody.

Gdy warunek ten nie jest spełniony, występuje anodowe inicjowanie przeskoku.

Zjawisko makrocząsteczkowego bombardowania elektrody prowadzi do jej rozgrzania przez odrywane (wskutek zerwania słabych wiązań międzycząsteczkowych i przyspieszane w silnym polu elektrycznym) bryłki metalu z przeciwległej elektrody. Minimalna gęstość energii, jaka musi być dostarczona przez bryłkę do powierzchni elektrody, aby wywołać wyładowanie, zależy od odstępu międzyelektrodowego a i od napięcia wywołującego przeskok U_p. Zależność tę wyznacza kryterium L. Cranberga

gdzie C stała ujmująca takie czynniki, jak rodzaj i stan powierzchni oraz niejednorodność pola.

W analizie zjawiska międzyelektrodowej wymiany cząstek zakłada się hipotetycznie, że zjawiający się w przestrzeni międzyelektrodowej elektron doznaje silnego przyspieszenia w polu elektrycznym i uderzając w anodę, uwalnia z niej jony dodatnie i fotony. Te z kolei, po dotarciu do katody powodują emisję wtórną. Kryterium przeskoku, uwzględniające kumulatywny charakter zjawiska, ma postać

przy czym: a_p - liczba jonów dodatnich uwolnionych z anody przez jeden elektron; y_c - liczba elektronów wtórnych wyemitowanych z katody wskutek uderzenia jonu dodatniego; n_u - liczba jonów ujemnych uwolnionych z katody przez jon dodatni; n_p - liczba jonów dodatnich uwolnionych z anody przez jon ujemny.

1. tg delta czyli współczynnik strat dielektrycznych i jak przeciwdziałać tym stratą.

2. Mostek Scheringa ( wytłumaczyć działanie mostka)

3. Zjawisko ulotu

4. Wyładowania powierzchniowe

5. Wyładowania ślizgowe.

6. - || -

7. Wyładowania w dielektrykach

8. - || -

9. Wyładowania w gazach

10 . -||-

11. -||-

12. -||-

13. Wyładowania w cieczach.

14. Wyładowania w próżni.

---