Badanie zjawiska ulotu

Ulot elektryczny to wyładowanie niezupełne¹, które występuje wokół elektrod o dużej krzywiźnie (małym promieniu), gdy natężenie pola przekroczy wartość krytyczną K₀.

Napięcie początkowe ulotu U₀ to takie napięcie, w którym na powierzchni przewodu natężenie pola osiąga wartość K₀. Przy tym napięciu zachodzi jonizacja zderzeniowa², która wytwarza wystarczającą ilość nośników ładunków, co można zaobserwować jako przepływ prądu o niewielkim natężeniu, a wokół przewodu widoczna jest słabo świecąca poświata. Napięcie początkowe U₀ zależy od:

• ciśnienia,

• temperatury,

• wilgotności,

• biegunowości przyłożonego napięcia.

Ulot elektryczny zaliczamy do wyładowań samodzielnych, czyli takich, w których nośniki prądu powstają w miejscu wyładowania pod wpływem działania pola elektrycznego. Ulotowi towarzyszą bezpośrednie starty energii elektrycznej, z którymi związana jest jonizacja cząstek powietrza oraz przemieszczanie się ładunków elektrycznych w przestrzeni. Ponadto ulot jest źródłem zakłóceń radioelektrycznych.

W czasie powstawania ulotu wydziela się ozon i tlenki azotu, co w połączeniu z wilgocią zawartą w powietrzu niszczy izolację, jak i materiały przewodzące i konstrukcyjne. Z tego względu ulot nie powinien występować w normalnych warunkach pracy. Istnieją jednak sytuacje, gdy dopuszcza się występowanie ulotu, np. w bardzo złych warunkach atmosferycznych lub w trakcie przepięć podczas burz (akurat tutaj ulot pomaga: obniża amplitudę fali przepięciowej).

Ulot jest wykorzystywany jednak do konkretnych celów, np. w elektrofiltrach, kserokopiarkach i drukarkach laserowych (ulot elektryzuje bęben światłoczuły do przenoszenia barwnika na papier).

Zjawisko ulotu zachodzi zarówno przy napięciu stałym, jak i zmiennym. Przy napięciu stałym DC widać wpływ biegunowości na napięcie początkowe ulotu U₀. Wynika to z deformacji pola przez ładunek przestrzenny.

Biegunowość dodatnia elektrody o większej krzywiźnie (dodatnie ostrze), powstający w jej pobliżu ładunek przestrzenny (jony dodatnie) powoduje lokalne osłabienie pola, czyli podwyższenie napięcia początkowego ulotu U₀.

W przypadku biegunowości ujemnej (ujemne ostrze) następuje wzrost natężenia pola w pobliżu elektrody, co obniża napięcie początkowe ulotu U_0­.

Badanie wytrzymałości układów powietrznych (to, co spalili :P)

W normalnych warunkach powietrze uznaje się za idealny izolator. Powietrze składa się głównie z mieszaniny obojętnych, swobodnie poruszających się cząsteczek gazów. Pod wpływem zewnętrznych źródeł promieniowania jonizującego (np. UV, promieniowanie kosmiczne) w powietrzu powstaje pewna ilość jonów i swobodnych elektronów. To tak mała ilość, że powietrze uznaje się za idealny izolator.

W układzie dwóch elektrod podnosimy napięcie od zera – zacznie płynąć prąd, którego wartość ustali się na poziomie prądu nasycenia. Zależy on od:

• ilości nośników prądu;

• powierzchni elektrod i ich wzajemnej odległości.

Wielkość prądu nasycenia jest uzależniona przepływem wszystkich powstających w przestrzeni międzyelektrodowej elektronów. Jony ze względu na małą ruchliwość nie mają znaczenia w przepływie tego prądu.

Jeśli będziemy dalej podnosić napięcie przyłożone do elektrod, to przy pewnej jego wartości następuje jonizacja gazu. Elektrony uzyskują dużą energię kinetyczną, która wystarczy do spowodowania jonizacji zderzeniowej obojętnych cząsteczek lub atomów gazu. Im napięcie wyższe, tym więcej elektronów z wysoka energią. Przy napięciu początkowym U₀ ilość elektronów uwalnianych na skutek jonizacji przekracza ilość elektronów ulegających rekombinacji z jonami dodatnimi. Wtedy jonizacja staje się lawinowa. Pojawiają się zjawiska świetlne i akustyczne. W miejscu o największym natężeniu pola pojawia się słabo świecący punkt świetlny oraz słabo słyszalny szmer. Im napięcie wyższe, tym te zjawiska się bardziej nasilają. W dodatku przy dużo mniej wyraźnej granicy niż U₀ przechodzą w wyładowania snopiaste.

W efekcie końcowym, przy napięciu U_p (napięcie przeskoku) następuje zwarcie elektrod w postaci iskry, która przy odpowiednio dużej mocy źródła napięcia może przekształcić się w łuk elektryczny. Przy napięciu U_p następuje wyładowanie zupełne.

Te wszystkie fazy rozwoju dają się zauważyć tylko w układach o polu niejednostajnym. W tych układach napięcie początkowe różni się od napięcia przeskoku. W przypadku układów o polu jednostajnym lub słabo niejednostajnym (np. układ płaski lub kulowy) U₀ = U_p; tam nie zaobserwujemy tych faz.

Wytrzymałość powietrza zależy od:

• ciśnienia;

• temperatury.

Wzrost ciśnienia powoduje spadek odległości między cząsteczkami powietrza, przez co droga do zderzeń elektronów jest mniejsza, nie rozpędzą się dostatecznie i szansa, że zderzą się z innymi elektronami jest mniejsza.

To oznacza tym samym, że spadek ciśnienia powoduje wzrost odległości między cząsteczkami powietrza i tym samym jonizacja zderzeniowa jest większa.

Wzrost temperatury powoduje natomiast zwiększenie energii kinetycznej cząstek, co ułatwia jonizację.

Co z wilgocią? W układach o polach jednostajnych nie ma większego znaczenia, ale w przypadku pól niejednostajnych jest istotna. Wzrost wilgotności powoduje spadek ilości wolnych elektronów.

Uwarstwione układy izolacyjne. Badanie wyładowań ślizgowych

Tam, gdzie rozkład pola jest niejednostajny, wyznaczenie wytrzymałości napięciowej jest kłopotliwe. Dlatego często stosuje się zależności wyznaczane doświadczalnie.

Uwarstwienie szeregowe typu przepustowego – tutaj wyładowanie może powstać skrośnie poprzez dielektryk albo w postaci wyładowań powierzchniowych bez trwałego przebicia izolatora. Wyładowanie skrośne między elektrodami wystąpi, jeśli w materiale izolatora przekroczone zostanie natężenie pola dopuszczalne dla danego materiału.

Wytrzymałość układu może ulec znacznemu pogorszeniu, jeśli pojawi się uwarstwienie szeregowe. Warunki korzystne dla rozwoju wyładowania powstają, gdy dla jednego z dielektryków zostanie przekroczone naprężenie³ dopuszczalne. Następuje wtedy przebicie warstwy tego dielektryka, co powoduje wzrost naprężeń w pozostałej części układu. To często prowadzi do przekroczenia wytrzymałości kolejnej warstwy i po jej przebiciu na dalszy rozwój wyładowania.

Wytrzymałość układu można poprawić zwiększając jego wymiary, stosując dielektryki o większej wytrzymałości oraz dobierając materiały o możliwie zbliżonych stałych dielektrycznych.

Rozwój wyładowań powierzchniowych jest zależny od:

• pojemności elektrycznej układu izolacyjnego,

• przenikalności dielektryka przy elektrodzie uziemionej

Największe natężenia pola występują przy krawędzi elektrody uziemionej A na skutek szeregowego uwarstwienia powietrza z dielektrykiem stałym.

Na pojemności C₁ występuje znaczne napięcie wynika z prądów pojemnościowych, jakie płyną przez pojemność C₀ izolatora. Może ono doprowadzić do przebicia pojemności C₁ i do powstania wyładowań ślizgowych. Wyładowania ślizgowe pokrywają powierzchnię izolatora zjonizowaną warstwą przewodzącego powietrza. Gdy pojemności skrośne są bardzo duże, może dojść do dalszego przesunięcia strefy wyładowań ślizgowych w stronę elektrody wysokonapięciowej aż do połączenia wyładowaniem ślizgowym obu elektrod. Nastąpi wtedy przeskok na izolatorze.

Kolejne fazy rozwoju wyładowań na powierzchni izolatora przepustowego:

• po przekroczeniu napięcia granicznego U₀ na uziemionym kołnierzu słabo świecący punkt;

• wraz ze wzrostem napięcia tych punktów przybywa, rozlewają się i zaczynają przechodzić na powierzchnię izolatora w postaci tzw. wyładowań świetlących;

• przy napięciu początkowym wyładowań ślizgowych te wyładowania zamieniają się w wyładowania ślizgowe, które widać jako pojedyncze, żółte iskry.

• dalsze podwyższanie napięcia przyłożonego do układu izolacyjnego prowadzi do powiększania się zasięgu wyładowań ślizgowych, aż do przeskoku przy napięciu przeskoku.

Uwarstwienie równoległe typu wsporczego – w takim układzie wytrzymałość jest wyższa niż w układach przepustowych, jednak ze względu na wymiary elektrod rozkład pola odbiega od rozkładu idealnego. Znaczny wpływ na obniżenie napięcia przeskoku może mieć stan powierzchni izolatora [zabrudzenia].

Pomiar wartości maksymalnej wysokiego napięcia AC 50 Hz

Najprostszym przyrządem pomiarowym jest iskiernik kulowy, który składa się z dwóch jednakowych kul (miedzianych) odizolowanych od siebie i umieszczonych w regulowanej, znanej odległości. Wraz ze wzrostem odległości między kulami rośnie napięcie przeskoku. Błąd pomiaru szacowany jest na ±3%.

Wymagana jest jednostajność pola elektrycznego w przerwie iskrowej, dlatego zakres stosowania iskiernika kulowego zawiera się w granicach 0,05÷0,75 stosunku a/D⁴. Warunek ten zmusza do stosowania kul o różnych, znormalizowanych średnicach.

Napięcie przeskoku zależy od stanu ich powierzchni: ich sferyczności i czystości. Iskiernik włącza się poprzez rezystor ochronny (np. wodny) o wartości dobranej do zakresu mierzonych napięć (~1 kΩ na 1 kV) – w układzie symetrycznym dwa równoległe rezystory, w układzie niesymetrycznym wystarczy jeden. Częściej używa się układu niesymetrycznego.

Wartość napięcia przeskoku zależy od gęstości względnej powietrza. Dlatego jeśli warunki pomiaru odbiegają od normalnych należy uwzględniać poprawki. Wadą pomiaru napięcia za pomocą iskiernika jest brak ciągłości pomiaru.

Istnieją też metody pomiaru pośredniego.

1. Układ dwuprostownikowy (z kondensatorem szeregowym)

   Układ ten składa się z części wysokonapięciowej (kondensator C) oraz części niskonapięciowej (dwa równoległe ramiona z przeciwstawnie włączonymi prostownikami). Dolna elektroda kondensatora C składa się z dwóch części:

• środkowej – właściwa elektroda;

• zewnętrznej uziemionej – stanowi ekran.

Prąd pojemnościowy i_c płynie przez prostownik P₁ lub P₂. Przez amperomierz prąd płynie przez pół okresu, gdy napięcie zmienia się od –U_m do +U_m.

Metoda ta pozwala na pomiar napięcia maksymalnego AC o dowolnym kształcie, jeśli napięcie ma stałą częstotliwość, a krzywa napięcia jest jednowierzchołkowa.

1. Układ jednoprostownikowy (z dzielnikiem pojemnościowym)

   Gdy prostownik P jest odłączony, napięcie na C₂ jest takie samo, jak mierzone woltomierzem. Gdy jednak prostownik włączymy, w jednym półokresie prąd płynie przez prostownik, a w drugim przez kondensator C₂. Powoduje to naładowanie kondensatora C₂ do napięcia równego szczytowej wartości napięcia na tym kondensatorze.

   W tej metodzie nie ma zastrzeżeń co do kształtu przebiegu napięcia. Jedynie trzeba dopilnować, by woltomierz miał dużą rezystancję wewnętrzną.

Badanie wytrzymałości doraźnej dielektryków stałych

O wytrzymałości izolatorów decydują czynniki:

• struktura materiału, głównie jego niejednorodność;

• geometria układu izolacyjnego złożonego z dielektryka i elektrod;

• wielkość, czas przyłożonego napięcia, temperatura, wilgotność, ciśnienie, naprężenia mechaniczne.

W dielektrykach stałych przebicie ma charakter trwały.

Przebicie pojawia się drogą działania różnych mechanizmów. Są to mechanizmy:

1. elektryczny

   - bardzo krótkie czasy, mniejsze niż sekunda, zachodzi praktycznie przy napięciach udarowych;

   - występuje w czystym i jednorodnym dielektryku, gdzie nie ma wyładowań zewnętrznych;

   - zależy od właściwości materiału i temperatury;

   - bardzo duże natężenie pola i wymaga obecności minimum jednego elektronu w paśmie przewodnictwa.

2. cieplny

   - czasy bardzo długie, godziny, musi wystąpić niestabilność cieplna układu;

   - zachodzi zniszczenie cieplne, stopienie, zwęglenie;

   - dużo niższe napięcia niż w mechanizmie elektrycznym skutkują zniszczeniem: układ rozgrzewa się wskutek dużych strat i prądów upływu, dostarczone ciepło jest większe niż oddane [niekorzystny bilans].

3. jonizacyjno-starzeniowy

   - stopniowa degradacja właściwości izolacyjnych /wyładowania niezupełne/;

   - kwestia miesięcy, lat;

   - na starzenie ma wpływ natężenie pola, procesy chemiczne, utlenianie, działanie ciepła.

Przebicie układu izolacyjnego jest określone wypadkowym efektem działania wymienionych mechanizmów.

Orientacyjny czas typowych rodzajów przebicia materiałów izolacyjnych:

• 10^-8 – 10^-4 przebicie elektryczne

• 10^-4 – 10⁴ przebicie cieplne

• 10² - ∞ inne długotrwałe

Innym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość elektryczną stałych materiałów izolacyjnych jest struktura materiału: jednorodna lub niejednorodna, o porach otwartych lub zamkniętych. Największą wytrzymałość wykazują materiały jednorodne, najmniejszą – materiały o porach otwartych.

---

1. Wyładowanie niezupełne to częściowe zwarcie elektrod przez wyładowanie występujące pod wpływem naprężeń elektrycznych, co oznacza, że napięcie pomiędzy elektrodami nie spada do zera.↩

2. Przewodność gazu jest zależna od istnienia elektronów swobodnych. Normalnie poruszają się one w sposób nieuporządkowany, jednak gdy pojawi się pole elektryczne, to na jony i elektrony zaczyna działać siła powodując ich przyspieszenie. Gdy prędkość jest odpowiednio wysoka, to podczas wzajemnych zderzeń z atomów obojętnych wytrącane są elektrony powodujące jonizację gazu. Ten typ jonizacji nazywa się zderzeniową. Generuje ona swobodne elektrony.↩

3. Naprężenie to wartość natężenia pola elektrycznego, jaka występuje lokalnie w warstwie dielektryka pod wpływem napięcia zewnętrznego.↩

4. a – odległość między kulami; D – średnica kul.↩