|
|
Экзаменационные ответы по электротехническим материалам. Шпаргалка Электротехнические материалы. 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов
14 Пробой диэлектриков: электрический пробой твердых диэлектриков, пробой твердых диэлектриков в эксплуатации, частичные разряды в изоляции.
Электротехнические свойства твердых диэлектриков в электрическом поле обусловлены временем их эксплуатации или «кривой жизни» по рисунку 1.22.
На изоляцию за время эксплуатации воздействуют: электрическое поле рабочего напряжения, повышенное испытательное и перенапряжения; тепловой и механический факторы; электролитические процессы и др. воздействия. Весь комплекс факторов проявляется в состоянии изоляции в приработочный период, когда отмечается наибольшее число отказов изоляции электроаппаратов. В рабочий период пробои изоляции - редкое явление; в это время электрическая прочность изоляции контролируется путем испытания ее повышенным напряжением в течение 1 мин. За период эксплуатации можно выделить следующие пробои изоляции по рисунку 1.23: импульсный, когда разрушение изоляции происходит в очень короткий период времени (микросекунды) при значительной амплитуде воздействующего напряжения, грозового или коммутационного характера, и без выделения тепла; электрический, когда амплитуда напряжения еще выше рабочего (номинальной) и время ее воздействия сравнимо с явлением структурной (миграционной) поляризации в изоляции и отсутствует выделение тепла при пробое; тепловой, для которого характерно явное выделение тепла или разогрев изоляции при напряжении не выше испытательного комбинированный пробой при длительном воздействии рабочего напряжения, коронных явлений и частичных разрядов с явным электролитическим процессом и изменением структуры твердого диэлектрика.
15 Пробой диэлектриков: электрический пробой твердых диэлектриков, электрическое старение при длительном воздействии рабочего напряжения.
Длительное воздействие рабочего напряжения аппарата определяет способность его изоляции выдержать влияние всевозможных факторов за время всего срока эксплуатации и численно оценивается электрической прочностью через 20 - 30 лет путем испытания изоляции повышенным напряжением частотой 50 Гц в течение 1 мин. Длительная эксплуатация изоляции приводит к ее старению, снижению электрической прочности и ухудшению электрических характеристик (диэлектрической проницаемости и потерь). Причинами изменения этих характеристик являются: электрическое старение вследствие развития ч. р. при перенапряжениях (грозового и внутреннего характера) или при рабочем напряжении; тепловое старение и окисление изоляции; увлажнение изоляции, а тагже причины механического характера (электродинамические толчки при коротких замыканиях, вибрации и т.п.); химическое старение или электролитическое окисление. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что приводит в дальнейшем к ее пробою. Основной причиной электрического старения является развитие ч.р., энергия которых тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, нагрев диэлектрика и излучение электромагнитных колебаний. Необратимое частичное разрушение диэлектрика накапливается, создавая кумулятивный эффект в изоляции, на что тратится несколько процессов всей энергии ч.р. Характер и степень разрушения в твердом диэлектрике связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов или обратных процессов: образование молекул или присоединение радикалов. В органических диэлектриках ч.р. вызывают выделение водорода или других газов (метан, ацетилен, углекислый газ и др.), а также углеродистых соединений со значительной проводимостью (дендриты в эпоксидном образующем термореактивной изоляции, эрозия или углекислые образования по поверхности керамической, фарфоровой или стеклянной изоляции). Во многих случаях явление ч.р. может вызвать микротрещины в диэлектрике.
Старение маслобарьерной и бумажной изоляции проявляется в изменении электрических и физико-химических характеристик, как самого минерального масла, так и бумаги или электрокартона. При этом проводимость и диэлектрические потери увеличиваются, в дальнейшем старение завершается электрическим или тепловым пробоем изоляции аппарата. Газовыделение в масле связано с действием сильного электрического поля (около 3 ЭВ), достаточного, чтобы свободные электроны разрушили молекулу углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения при наличии ч.р. или в его отсутствие зависит от химического состава масла, поэтому количество трансформаторного масла определяется месторождением нефти, возможными присадками и его очисткой.
Тепловое старение диэлектрика связано с рабочей температурой аппарата. Возможность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит химическое старение и осуществляется процесс химических реакций. Например, при повышении температуры химическое разложение целлюлозы характеризуется уменьшением степени полимеризации, при этом укорачиваются цепочки молекул, уменьшается гибкость и механическая прочность бумаги и картона.
Изоляционная конструкция во многих аппаратах в рабочем режиме соприкасается с воздухом, при этом возможно увлажнение. Процесс увлажнения масла в трансформаторах может быть от трех агрегатных состояний влаги: эмульгированное (пленка), молекулярнорастворенное (диполи) и газообразное (молекула влаги в газовой полости). Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворимостью обладают непредельные и ароматические углеводороды, наименьшей – парафиновые. Наличие воды в масле снижает его электрическую прочность и увеличивает диэлектрические потери. Причем влияние воды сильнее сказывается, когда она находится в эмульгированном состоянии, чем в молекулярнорастворимом. Влажность увеличивается скорость термического старения, способствует разрушению молекул органического диэлектрика, ухудшает физико-технические характеристики.
16 Пробой диэлектриков: электрический пробой газов.
Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина сама по себе еще не достаточна для образования пробоя, так как не создает проводящего пути между электродами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами, должны иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс формирования разряда. Характер явлений, сопровождающих ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов.
Известно два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.
При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. В этом случае для пробоя газа требуется образование серии лавин. Каждая вновь образующаяся лавина, по сравнению с предыдущей, должна содержать большее число электронов – происходит «раскачивание» электронных лавин (рис. 11.62). Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряжений.
При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизация в объеме газа. Благодаря этим вторичным процессам электронная лавина создает повышенную концентрацию носителей заряда, которая достаточна для непосредственного преобразования ее в стример. Стример представляет собой скопление ионизованных частиц, сильно превосходящее лавину по степени ионизации. После распространения стримеров (отрицательного и положительного) на весь межэлектродный промежуток происходит пробой газа.
 Пробой газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором он осуществляется.
Рис. 11.65. Зависимость электрической прочности газа от давления
Электрическая прочность Епр газов зависит от давления (рис. 11.65). При высоких давлениях р увеличение Епр связано с уменьшением длины свободного пробега электронов, а при малых р – с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа. На зависимости Епр = f(р) основано применение газов в качестве электрической изоляции в вакуумных конденсаторах, кабелях, заполненных газом под высоким давлением, и других устройствах высокого напряжения. Электрическая прочность Епр также зависит от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет Епр (рис. 11.66). Этот рост Епр связан с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке.
Рис. 11.66. Зависимость электрической прочности воздуха в однородном электрическом поле от расстояния между электродами (логарифмическая шкала)
Рис. 11 .68. Зависимость Uпр воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле
Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.
В случае несимметричных электродов игла-плоскость и положительной полярности на игле пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис. 11.68). Это объясняется образованием у иглы положительного объемного заряда, содействующего развитию пробоя при положительной полярности иглы.
Пробой газа при высоких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) происходит при значительно более низких значениях напряжения, чем при постоянном напряжении или напряжении технической частоты. При высоких частотах напряжения, соответствующие появлению короны, почти совпадают с пробивными напряжениями. В этом случае Uпр мало возрастает с увеличением расстояния между электродами. Сравнение пробивного напряжения воздуха в резко неоднородном поле при низкой и высокой частотах дано на рис. 11.69.
Рис. 11.69. Зависимость Uпр воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле при разных частотах
Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным перекрытием, возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На величину разрядного напряжения оказывает влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота напряжения, состояние поверхности диэлектрика, давление воздуха.
Влияние конфигурации поля на величину разрядного напряжения показано в табл. 11.1. Относительная влажность воздуха сильно влияет на величину разрядных напряжений изоляторов при промышленной частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При промышленной частоте повышение относительной влажности воздуха с 60 до 80…90 % снижает разрядные напряжения почти вдвое в случае керамического образца №3, указанного в табл. 11.1.
Следует отметить, что ввиду кратковременности процесса пробоя газов, значение электрической прочности (или пробивного напряжения газового промежутка) при переменном напряжении определяется амплитудным (а не действующим, как, например, при тепловом пробое твердых диэлектриков) значением. При постоянном напряжении и расстоянии между электродами порядка 1 см электрическая прочность воздуха в случае нормальных температуры и давления Епр = 3МВ/м (амплитудное значение для переменного напряжения, или же постоянное значение для постоянного напряжения).
17 Пробой диэлектриков: электрический пробой жидких диэлектриков.
Жидкие диэлектрики отличаются более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях. Механизм пробоя и электрическая прочность жидких диэлектриков, прежде всего, зависят от их чистоты.
Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. Соответственно, электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет
100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде, то есть на меньшей длине свободного пробега  , накопил энергию, достаточную для ионизации.
Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей. Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, то есть проводящих каналов. В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате, пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности.
Резкое снижение Епр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля. В случае «сухих» волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на Епр жидкости.
Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является влага, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях.
Рис. 11.70. Зависимость Епр трансформаторного масла от содержания воды: 1 – при 65 °С; 2 – при 25 °С
На рис. 11.70 представлена зависимость Епр трансформаторного масла от содержания воды. Как показывает опыт, водная эмульсия резко снижает электрическую прочность масла. При 65 °С, когда заведомо большая часть воды находится в растворенном состоянии, Епр масла почти в три раза превышает Епр масла при температуре 25 °С (при общей концентрации воды в пределах 0,02…0,1 %).
Процессы, связанные с движением и перераспределением примесей, являются сравнительно медленными. Поэтому закономерности пробоя жидкостей изменяются со временем воздействия напряжения. В частности, Епр жидкого диэлектрика, протекающего между электродами, обычно выше Епр неподвижной жидкости (эффект В.С. Дмитревского).
Механизм пробоя жидкого диэлектрика с эмульгированной влагой был предложен Гемантом. В отсутствие внешнего электрического поля частицы влаги в жидком диэлектрике принимают форму с минимальной поверхностью, то есть форму шара, и в зависимости от соотношений плотностей воды и жидкого диэлектрика определённым образом распределены по объёму последнего. При приложении к диэлектрику электрического поля частицы влаги, поляризуясь, втягиваются в межэлектродное пространство, приобретая при этом форму эллипсоидов вращения с большой полуосью, направленной по полю. В качестве критерия Гемантом принято условие: когда капли, выстроившись по полю, перекроют на 60…70 % межэлектродное пространство, произойдёт пробой. При пробое, за счёт повышенных температур в канале пробоя, происходит испарение влаги. Вследствие этого, при повторных пробоях сильно увлажнённых жидкостей может наблюдаться увеличение электрической прочности за счёт подсушки.
Механизм пробоя жидкого диэлектрика с твёрдыми (в том числе и проводящими) примесями был предложен А.Ф. Вальтером. При приложении электрического поля в местах скопления твёрдых частиц за счёт диэлектрических потерь происходит разогрев, в результате которого жидкость вскипает с выделением газообразных продуктов. Но так как электрическая прочность газа гораздо ниже электрической прочности жидкого диэлектрика, пробой будет происходить по этим газовым включениям.
18 Качество изоляции. Испытание изоляции повышенным напряжением.
Испытание изоляции повышенным напряжением позволяет убедиться в наличии необходимого запаса прочности изоляции, отсутствии местных и общих дефектов, не обнаруживаемых другими способами.
Испытанию изоляции повышенным напряжением должны предшествовать тщательный осмотр и оценка состояния изоляции другими методами. Изоляция может быть подвергнута испытанию повышенным напряжением только при положительных результатах предшествующих проверок.
Изоляция считается выдержавшей испытание повышенным напряжением в том случае, если не было пробоев, частичных разрядов, выделений газа или дыма, резкого снижения напряжения и возрастания тока через изоляцию, местного нагрева изоляции.
В зависимости от вида оборудования и характера испытания изоляция может быть испытана приложением повышенного напряжения переменного тока или выпрямленного напряжения. В тех случаях, когда испытание изоляции производится как переменным, так и выпрямленным напряжением, испытание выпрямленным напряжением должно предшествовать испытанию переменным напряжением.
Испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока
В качестве испытательного напряжения используется обычно напряжение промышленной частоты. Время приложения испытательного напряжения принято равным 1 мин для главной изоляции и 5 мин для межвитковой. Такая продолжительность приложения испытательного напряжения не сказывается на состоянии изоляции, не имеющей дефектов, и достаточна для осмотра находящейся под напряжением изоляции.
Скорость повышения напряжения до одной трети испытательного значения может быть произвольной, в дальнейшем испытательное напряжение следует повышать плавно, со скоростью, допускающей визуальный отсчет на измерительных приборах. При испытании изоляции электрических машин время повышения напряжения от половинного до полного значения должно быть не менее 10 с.
После установленной продолжительности испытания напряжение плавно снижается до значения, не превышающего одной трети испытательного, и отключается. Резкое снятие напряжения допускается в тех случаях, когда это необходимо для безопасности людей или сохранности оборудования. Под продолжительностью испытания подразумевается время приложения полного испытательного напряжения.
Для предотвращения недопустимых перенапряжений при испытаниях (из-за высших гармоник в кривой испытательного напряжения) испытательная установка должна быть по возможности включена на линейное напряжение сети. Форму кривой напряжения можно контролировать электронным осциллографом.
Испытательное напряжение, за исключением ответственных испытаний (генераторов, крупных двигателей и т. д.), измеряют на стороне низкого напряжения. При испытании объектов с большой емкостью напряжение на высокой стороне испытательного трансформатора может несколько превышать расчетное по коэффициенту трансформации за счет емкостного тока.
При ответственных испытаниях испытательное напряжение измеряют на высокой стороне испытательного трансформатора с помощью трансформаторов напряжения или электростатических киловольтметров.
В тех случаях, когда одного трансформатора напряжения для измерения испытательного напряжения недостаточно, допускается последовательное соединение двух однотипных трансформаторов напряжения. Применяют также дополнительные сопротивления к вольтметрам.
Для защиты ответственных объектов от случайного опасного повышения напряжения параллельно испытываемому объекту должны быть включены через сопротивление (2 - 5 Ом на каждый вольт испытательного напряжения) шаровые разрядники с пробивным напряжением, равным 110 % испытательного.
Схема испытания изоляции электрооборудования повышенным напряжением переменного тока приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема испытания изоляции повышенным напряжением переменного тока.
Перед подачей напряжения на испытываемый объект полностью собранную схему опробуют вхолостую и проверяют напряжение пробоя шаровых разрядников.
В качестве испытательных трансформаторов, кроме специальных, можно использовать силовые трансформаторы и трансформаторы напряжения.
Силовые трансформаторы при таком использовании допускают нагрузку по току до 250 % номинальной при трехкратном (пофазном) испытании с двухминутным перерывом между приложениями напряжения. Для трансформаторов напряжения типа НОМ допустимо повышение напряжения на первичной обмотке до 150 - 170 % номинального. При отсутствии испытательного трансформатора достаточной мощности возможно параллельное включение однотипных трансформаторов.
Испытание изоляции выпрямленным напряжением
Применение выпрямленного испытательного напряжения позволяет значительно уменьшить мощность испытательной установки, делает возможным испытание объектов с большой емкостью (кабелей конденсаторов и др.), позволяет контролировать состояние изоляции по измеряемым токам утечки.
При испытании изоляции выпрямленным напряжением, как правило, применяются схемы однополупериодного выпрямления. На рис. 2 приведена принципиальная схема испытания изоляции выпрямленным напряжением.
Рис. 2. Схема испытания изоляции выпрямленным напряжением
Методика испытания изоляции выпрямленным напряжением аналогична методике при испытаниях переменным напряжением. Дополнительно ведется контроль за током утечки.
Время приложения выпрямленного напряжения более продолжительно, чем при испытании переменным напряжением, и в зависимости от испытываемого оборудования установлено нормами в пределах 10 - 15 мин.
Измерение испытательного напряжения, как правило, осуществляется с помощью вольтметра, включенного на стороне низкого напряжения испытательного трансформатора (с пересчетом по коэффициенту трансформации).
Поскольку выпрямленное напряжение определяется амплитудным значением, показания вольтметра (измеряющего эффективные значения напряжения) необходимо умножить на внутреннее сопротивление, выпрямительной лампы, небольшое при нормальном накале катода резко возрастает при недостаточном токе накала. При этом падение напряжения в выпрямительной лампе увеличивается, а на испытываемом объекте уменьшается. Поэтому при испытаниях необходимо следить за напряжением питания испытательной установки. Целесообразно также применение вольтметра с большим добавочным сопротивлением для измерения напряжений на высокой стороне.
Как и при испытаниях переменным напряжением, в целях защиты ответственных объектов от случайного чрезмерного повышения напряжения рекомендуется параллельно испытываемому объекту включить через сопротивление (2 - 5 Ом на каждый вольт испытательного напряжения) разрядник с пробивным напряжением, равным 110 - 120 % испытательного.
Ток, проходящий через изоляцию при испытаниях выпрямленным напряжением, в большинстве случаев не превышает 5 - 10 мА, что обусловливает небольшую мощность испытательного трансформатора.
При испытаниях объектов с большой емкостью (силовые кабели, конденсаторы, обмотки крупных электрических машин) заряженная до испытательного напряжения емкость объекта имеет большой запас энергии, мгновенный разряд которой может привести к разрушению аппаратуры испытательной установки. Поэтому разряжать испытываемый объект следует так, чтобы разрядный ток не проходил через измерительный прибор.
Для снятия заряда с испытываемых объектов используются заземляющие штанги, в электрическую цепь которых включается сопротивление 5 - 50 кОм. В качестве разрядных сопротивлений для объектов, обладающих большой емкостью, применяют наполненные водой резиновые трубки.
Заряд емкости даже после кратковременного наложения заземления может сохраняться длительно и представлять опасность для жизни персонала. Поэтому после того как испытываемый объект разряжен с помощью разрядного устройства, он должен быть наглухо заземлен.
|
|
|
Скачать 1.25 Mb.