2. Defekty układu izolacyjnego próżniowej komory gaszeniowej 2.1. Ulot z ostrza na elektrodzie wysokonapięciowej (defekt 1)

Transkrypt

1 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

2 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 U 0 <U<U kr, gdzie U kr 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: T/ k E x = k Em cos ωt dt = ω 0 m, (2.1) gdzie: k + ruchliwość jonów dodatnich, E m maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego zmiennego sinusoidalnie, ω = 2Πf; f częstotliwość napięcia lub pola. 7

3 W powietrzu, dla napięcia przemiennego (50 Hz) w polu jednostajnym, droga ta wynosi około 140 cm. W podobny sposób można obliczyć maksymalną częstotliwość f max, dla danego odstępu d, dla której jeszcze nastąpi spływ ładunku do chwilowej katody: f max + k Em 2πd =. (2.2) 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 f k i wynosi ona: f k + k E πd m =. (2.3) Jeśli częstotliwość napięcia zasilającego jest f < f max to można uznać, że warunki są bardzo podobne do tych, które panują przy napięciu stałym. Natomiast dla f k >f>f max 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>f k 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

4 ωt E=E m cos ωt E m - + π/ E m 0 0 π/ π/6 3 2 E m + - π E m + - 7π/6 Rys 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 3 2 E m 9

5 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 r=1cm Przeskok iskrowy Strimery przeskokowe U+ [kv] d Wyładowania jarzeniowe Strimery początkowe Brak wyładowań d [cm] Rys 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

6 Na rysunku 2.3. przedstawiono zjawiska ulotowe przy napięciu stałym ujemnym Przeskok Wyładowanie jarzeniowe Obszar przejściowy U- [kv] Impulsy Trichela d [cm] Obszar ciemny (bez wyładowań) Rys 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

7 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 Napięcie początkowe: impulsów Trichela ujemnego wyładowania jarzeniowego Rys 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

8 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 (U 0 ) dla ujemnej polaryzacji w bardzo małym stopniu zależy od odległości między elektrodami, natomiast dla dodatniej polaryzacji elektrod można zaobserwować wyraźny wzrost U 0 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 U 0 rośnie ze wzrostem promienia krzywizny ostrza, co wynika ze zmiany rozkładu pola elektrycznego. Również długość ostrza ma wpływ na U 0 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

9 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] D 8 Umaks[V] B A C 7 0 2,5 5 7, ,5 d [cm] Rys 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

10 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 U 0 w powietrzu wynosi kilka kilkanaście kilowoltów, - zwiększenie krzywizny ostrza zmniejsza napięcie początkowe wyładowań U 0, - zwiększenie odległości między elektrodami w niewielkim stopniu wpływa na zwiększenie napięcia U 0, - 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

11 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

12 - 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] a b γ s [µs] Rys 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

13 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 γ z 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] U [kv] γ s [µs] Rys Napięcie przeskoku izolatora długopniowego LP 75/14 w zależności od jego przewodności powierzchniowej [15] Prąd upływu I u [ma] dla izolatora cylindrycznego, równomiernie zabrudzonego, o długości drogi upływu a u [cm] i średnicy D [cm] oblicza się z zależności [15]: 18

14 I u U R s = =, (2.4) z U Π D γ a u gdzie: γ s 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 I 2 R 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

15 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

16 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

17 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 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 s. Mikrowyładowania objawiają się słabym świeceniem w przerwie międzyelektrodowej i powodują desorpcję gazów z powierzchni elektrod w ilości rzędu molekuł/impuls [61, 70, 71, 88, 90]. 22

18 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 U mw, - napięcie gaśnięcia mikrowyładowań o danej amplitudzie U g, - czas trwania pojedynczego impulsu t mw, - średnia moc wyładowań w przyjętym przedziale czasu P mw, - amplituda impulsu prądowego i mw, - średni prąd mikrowyładowań I mw, - 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

19 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 Widmo częstotliwości impulsów mikrowyładowań między stykami w zależności od ciśnienia gazów resztkowych [91] 24

20 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

21 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

22 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 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 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 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

23 dziesięć plamek katodowych. Szybkość wydmuchu materiału elektrod z plamki katodowej poza elektrody zależy od właściwości materiału; dla czystej miedzi zawiera się w przedziale między 10 5 a 10 6 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

24 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 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 Ω cm cm -1 [51]. Dla typowego materiału izolacyjnego stosowanego w konstrukcji wyłączników próżniowych, to znaczy alundu (Al 2 O 3 ), 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

25 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 liczba impulsów N Å 60Å 20Å 80Å ładunek Q [pc] Rys 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 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

26 powierzchni, które mostkując obszar izolacyjny mogą doprowadzić nawet do przeskoku [92]. ładunek impulsu [pc] s 120s 240s napięcie [kv] Rys 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

27 a) liczba impulsów N b) c) d) ładunek na jeden okres [pc] ładunek maksymalny [pc] ładunek impulsu [pc] 2,0 1,5 1,0 0,5 0, napięcie U [kv] Rys 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