|
А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
1.15.1. Влияние влаги и микропримесей Влага в масле может находиться в трех состояниях в молекулярно- растворенном виде, в виде эмульсии (мелкие шарики воды размером
2…10 мкм) ив виде водяного отстояна дне бака. Растворимость воды в жидких диэлектриках зависит от температуры. Например, в минеральном масле при 20 Сможет растворяться
∼
40
⋅
10
–6 воды по объему, а при
80 С
∼
Наличие влаги в обоих состояниях сказывается на электрической прочности масла, особенно в присутствии волокон, причем наиболее сильно влияет эмульгированная влага. Вследствие большой диэлектрической проницаемости (для воды
ε
= 80, для волокон целлюлозы
ε
= 6,4) частички влаги и волокна втягиваются в область наибольшей напряженности электрического поля, поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий поля. Это приводит к образованию мостиков, которые увеличивают локальную плотность тока, к нагреву, сильному увеличению местной напряженности поля в местах разрыва мостиков, вследствие чего начинаются местные ионизационные процессы и может произойти пробой всего межэлектродного промежутка. Зависимость пробивной напряженности трансформаторного масла от содержания влаги
(рис. 1.20) (миллионные доли влаги в единице объема масла) показывает, что наличие 40–50 миллионных долей влаги уменьшает электрическую прочность масла примерно враз. о
н
2
C
Снижение электрической прочности в области малых концентраций вызвано влиянием растворенной влаги, а в области больших концентраций эмульгированной влаги.
I
II
0 40 80 120 100 ПР, кВ/см
С
H
2
O
, г/Т
Рис. 1.20. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги,
(грамм/тонна):
I – зона растворимости влаги, II – эмульгированная влага о
н
2
C
Наличие влаги и волокон слабо сказывается на прочности жидких диэлектриков при коротких импульсах напряжения (единицы-десятки микросекунд, поскольку частицы примесей не успевают переместиться на значительное расстояние и повлиять на развитие разряда в жидкости. Общее количество воды, которое может находиться в масле в мо- лекулярно-растворенном и эмульсионном виде, ограничено. При содержании воды более 0,02 % влага выпадает в виде отстояна дно. Хотя сам отстой и не влияет на электрическую прочность, его появление свидетельствует о существенном ухудшении изоляционных свойств масел. Особенно резкое уменьшение разрядных напряжений происходит при наличии в масле гигроскопических загрязнений в виде волокон бумаги, картона, пряжи, значительно облегчающих образование проводящих мостиков. Эти загрязнения проникают в масло в процессе эксплуатации из элементов твердой изоляции, находящихся в масле.
1.15.2. Влияние давления Пробивное напряжение как технических, таки очищенных жидких диэлектриков при промышленной частоте 50 Гц сильно зависит отдав- ления. Это связано с наличием и образованием в жидкости при высоком напряжении пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя. А электрическая прочность газа сильно зависит от давления (закон Паше- на. На рис. 1.21 представлены зависимости пробивного напряжения трансформаторного масла от давления ниже атмосферного. При пониженных давлениях из масла начинают выделяться растворенные в нем газы и его прочность резко падает (рис. 1.21, кривая
1
).
200 400 600 30 35 40 ПР, кВ
P, мм рт. ст.
1
2
Рис. 1.21. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления
1 – недегазированное масло 2 – дегазированное масло Видно, что зависимость пробивного напряжения от давления заметно увеличивается с повышением степени очистки масла (рис. 1.21, кривая
2
), что указывает на большое влияние газообразных примесей. При давлениях выше атмосферного (см. рис. 1.22) электрическая прочность масла увеличивается, что также свидетельствует о наличии газа в масле и его влиянии на электрическую прочность масла.
48
200 Р, атм 300 20 40 60 0 ПР, кВ/см Рис. 1.22. Зависимость пробивного напряжения парафинового масла от давления (50 Гц) При импульсных воздействиях давление меньше сказывается на электрической прочности жидких диэлектриков. 1.15.3. Влияние температуры Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от их чистоты. Для чистых сухих жидкостей значительное влияние температуры наблюдается в области интенсивного испарения и кипения (рис. 1.23, кривая
1
).
0
+40 80 0
80 160
t, СПР, кВ/см
Рис. 1.23. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры
1 – сухое масло 2 – техническое масло с примесью влаги Для технически чистых жидкостей с примесью влаги зависимость электрической прочности от температуры достаточно сложная. Из рис. 1.23 (кривая
2)
видно, что имеет место минимум и максимум электрической прочности. Снижение температуры от точки максимума приводит к уменьшению ПР до минимума, что связано с переходом растворенной влаги в эмульгированное состояние. Дальнейшее понижение температуры (меньше 0 С) вызывает замерзание капелек воды и, как следствие, повышение ПРУ льда диэлектрическая постоянная Л примерно равна диэлектрической постоянной масла М (
ε
Л
≈
ε
М
), что уменьшает влияние влаги на электрическую прочность масла. Уменьшение электрической прочности для сухого и технического масел при температуре выше +80 С (см. рис. 1.23) обусловлено интенсивным испарением и кипением жидкости.
1.15.4. Влияние времени воздействия напряжения Электрическая прочность жидких диэлектриков существенно зависит от длительности приложения напряжения
τ
. Чем больше примесей в жидкости (особенно влаги и волокон, тем сильнее эта зависимость рис. 1.24).
I
II
10
–4 10
–2 10 0
100 500
τ, с ПР, кВ
Рис. 1.24. Зависимость пробивного напряжения от времени воздействия для трансформаторного масла. Электроды острие–плоскость; расстояние между электродами 20 см положительная полярность напряжения Экспериментальные результаты по пробою жидких диэлектриков показывают наличие, как минимум, двух областей, связанных с временем воздействия напряжения (рис. 1.24), появление которых объясняется различными механизмами пробоя. При воздействии импульсов напряжения с длительностью
τ
< 10
–4
с (рис. 1.24, область
I
) влияние примесей значительно ослаблено, те. они не успевают переместиться на заметные расстояния. Начальная стадия разряда в жидкости возникает при напряженностях 100 кВ/см. В этом случае начинают проявляться процессы электронной эмиссии. Возможны процессы авто- и термоэлектронной эмиссии с катода, а также процессы автоионизации жидкости у анода. Все перечисленные явления могут участвовать в инициировании разряда. Образование газовых пузырьков у электрода может иметь место как за счет разложения углеводородов жидкого диэлектрика, таки за счет вскипания жидкости под воздействием выделенной энергии в локальных зонах электрода (тепловая теория пробоя. В газовых пузырьках развивается ударная ионизация, образуется кистевой стримерный канал, который развивается к противоположному электроду. Резкое увеличение электрической прочности при
τ
< 10
–5
с связано с запаздыванием развития разряда, когда время воздействия напряжения становится соизмеримо с временем формирования разряда. Увеличение времени воздействия напряжения
τ
> 10
–3
с приводит к быстрому снижению ПР вследствие влияния влаги и волокон, а также образования газовых пузырьков. При дальнейшем увеличении времени воздействия напряжения решающее влияние на снижение ПР начинают оказывать тепловые процессы. При длительном воздействии напряжения (см. рис. 1.24, область
II
) присутствие влаги, газа, загрязнений в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность, причем наиболее опасным является эмульгированное стояние влаги. Пробой наступает вследствие образования цепочек из мелких поляризованных частиц включений, которые вытягиваются вдоль силовых линий. Эти цепочки образуют проводящий канал, по которому протекает ток, разогревающий воду и прилегающую к каналу жидкость до кипения. Пробой жидкости происходит по образовавшемуся газовому каналу.
1.15.5. Влияние геометрии электродов, расстояния между ними материала и полярности на пробивное напряжение Геометрическая форма электродов создает поля разной степени неоднородности, и чем больше коэффициент неоднородности, тем ниже пробивное напряжение. Даже незначительное увеличение радиуса кривизны электродов в резконеоднородных полях дает более существенное увеличение ПР по сравнению с воздухом. Увеличение расстояния между электродами
S
приводит к увеличению пробивного напряжения (см. рис. 1.25). На величину пробивного напряжения при неизменном
S
оказывает влияние площадь электродов и объем жидкости между электродами увеличение площади электродов и объема жидкости вызывает снижение ПР. Состояние поверхности электродов также оказывает влияние на электрическую прочность
Е
ПР
жидких диэлектриков. Загрязнение, окисление и плохая полировка поверхности электродов снижают
Е
ПР
. По мере увеличения расстояния между электродами влияние материала электродов уменьшается и при расстоянии несколько миллиметров практически прекращается. Влияние материала электродов на
Е
ПР
жидких диэлектриков осуществляется через эмиссию электронов с катода.
51
2 4
6 0
80 160
S, см
1
2
U
ПР
, кВ
Рис. 1.25. Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами и полярности для трансформаторного масла электроды острие–плоскость; напряжение постоянное
1 – положительная полярность острия
2 – отрицательная полярность острия Как следует из рис. 1.25, пробивное напряжение зависит от полярности
электрода-острия
при несимметричной системе электродов. Наиболее ярко эта зависимость проявляется для полярных жидкостей. Например, для воды ПР при отрицательной полярности острия увеличивается в 2,0–2,5 раза по сравнению с положительной полярностью.
1.15.6. Барьерный эффект Барьеры из твердого изоляционного материала, устанавливаемые в масле между электродами, весьма широко применяются для повышения электрической прочности масляной изоляции. При наличии барьеров электрическая прочность разрядного промежутка значительно возрастает. Это обусловливается двумя факторами. Барьер непроницаем для ионов жидкости. Поэтому ионы, двигаясь от одного электрода к другому, оседают на барьере, растекаются по его поверхности и заряжают ее. Благодаря этому электрическое поле в промежутке становится более равномерным, что приводит к увеличению разрядного напряжения. Кроме этого, барьер затрудняет образование сплошных проводящих мостиков из волокнистых веществ, находящихся в масле. Действие барьеров более эффективно в неравномерных полях. При кратковременных импульсных воздействиях напряжения барьеры менее эффективны, чем на постоянном и переменном напряжениях. На рис. 1.26 представлено относительное изменение пробивного напряжения б ПР (ПР – пробивное напряжение чисто масляного промежутка, а б – пробивное напряжение того же промежутка с барьером) в зависимости от положения барьера б (S
– расстояние между электродами, оно постоянно, а б – расстояние от острия до барьера) в масляном промежутке, образованном электродами
острие–плоскость
при воздействии переменного напряжения с частотой 50 Гц.
0,25 0,5 0,75 1
1,5 2,0
U
б
U
ПР б Рис. 1.26. Влияние барьера на пробивное напряжение масляного промежутка электроды острие–плоскость; напряжение 50 Гц, S = 75 мм Барьер – плоский электрокартон толщиной 5 мм. Расстояние до барьера измеряется от острия. В данной системе координат пробивное напряжение масляного промежутка без барьера равно 1. Наличие барьера приводит к увеличению пробивного напряжения. Максимальный эффект соответствует расстоянию до барьера б ≈ 0,25
S
, что хорошо коррелирует с аналогичным эффектом для газа.
Маслобарьерная изоляция широко применяется в высоковольтной технике при изготовлении трансформаторов, вводов, реакторов и т. п.
1.16. Пробой твердой изоляции Электрическая прочность твердой изоляции выше, чем газообразной и жидкой с пределами г
пр ж
пр тв пр
U
U
U
>
>
Электрическая прочность твердой изоляции зависит
1) от формы электрического поля
2) вида напряжения и полярности
3) времени воздействия напряжения
4) однородности диэлектрика
5) электрофизических характеристик (полярный-неполярный,
δ
tg
,
,
ε γ
и др
6) температуры. Различают три вида пробоя твердого диэлектрика
1) электрический – Е кВ/мм;
53
2) тепловой – Е кВ/мм;
3) старение – Е кВ/мм и менее. Твердая изоляция включает в себя все виды твердых диэлектриков
– от пленок до толстой монолитной. В табл. 1.5 приведены некоторые электрические характеристики твердой изоляции, которые могут быть востребованы в процессе ее эксплуатации. В приложении 1, табл. П, приведены электрофизические характеристики некоторых твердых диэлектриков, имеющих широкое применение в энергетике, при нормальных условиях окружающей среды. Электрическая прочность (
Е
ПР
) определялась на переменном напряжении при скорости подъема напряжения 1…2 кВ/с. Таблица 1.5 Характеристики изоляции Электрические Механические Тепловые Химические Прочие пр
U
пер
;
U
раб
;
U
cухо разр,
ρ
S
;
tg
δ;
t = f(E, f)
σ
раст
;
σ
сж
;
σ
изг
;
твердость; гибкость эластичность
Т
кип
;
Т
плавл
;
Т
заст
;
теплопро- водность теплоемкость;
тепловое расширение стабильность;
раствори- мость; действие на другие диэлектрики удельный вес абсорбция влаги;
действие облучения микроорганизмы и др. Наиболее сильное влияние на электрическую прочность твердой изоляции оказывают время приложения напряжения, температура, толщина. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называется вольт-временной характеристикой. Она приведена на рис. 1.27. На кривой выделяют четыре области. Области
I
и
II
соответствуют электрическому пробою. Время приложения напряжения
1 0,
t
<
с. Резкое возрастание пробивного напряжения в области
I обусловлено запаздыванием развития разряда относительно времени приложения напряжения. Область III характеризуется резким спадом пробивного напряжения, что говорит о преобладающей роли тепловых процессов. Область медленное снижение пробивного напряжения с увеличением времени воздействия связано с медленными процессами старения, деградации твердой изоляции.
54
100 200 300 400 10
–5 10
–3 10
–1 10 1
10 3
10 5
10 7
I
II
III
IV
t, с
U
ПР
, кВ
Рис. 1.27. Вольт-временная характеристика твердой изоляции
I – электрический пробой, запаздывание развития канала разряда
II – электрический пробой, t < 0,1 c, не зависит от температуры
III – тепловой пробой, t > 0,1 с, резкое снижение пр во времени
IV – старение, пр мало изменяется, а время до пробоя возрастает значительно Электрическая прочность Е
ПР
твердой изоляции возрастает с уменьшением ее толщины и особенно быстро — в области микронных толщин. Этот эффект используют в изоляции конденсаторов, кабелей, вводов и др. Влияние температуры наглядно иллюстрируется рис. 1.28, где приведена зависимость электрической прочности фарфора от температуры. Видно, что до температуры +75
°C пробивная напряженность фарфора ПР практически не изменяется (область А. Дальнейшее увеличение температуры приводит к резкому уменьшению Е
ПР
(область Б. Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности д д д → γ↑ и tg δ ↑ → д → д и т. д, где д – напряжение, приложенное к изоляции д – ток, текущий через изоляцию д – температура изоляции
γ – проводимость изоляции tg
δ – диэлектрические потери в изоляции.
55
0 20 40 60 80 20 10 30 АБС ПР, кВ/см
Рис. 1.28. Зависимость пробивного напряжения от температуры для фарфора (напряжение 50 Гц) Суть теплового пробоя изоляции можно представить в виде рис. 1.29, где Q
1
– тепло, выделенное в изоляции за счет джоулевых и диэлектрических потерь, Q
2
– тепло, отводимое от изоляции в окружающую среду. Выделенное тепло определяется как
Q
1
=
ω C tg
δ
U
2
, (1.40) а отводимое тепло — как
Q
2
= k S (T–T
0
), (где
ω – угловая частота С емкость изделии диэлектрические потери в изоляции
k – коэффициент теплопередачи
S – площадь поверхности изоляции Т – температура окружающей среды Т – температура внутри диэлектрика. Изменение приложенного напряжения к изоляции приводит к изменению потерь в ней. На рис. 1.29 Q
1
(U
1
), Q
1
(U
2
), Q
1
(U
3
) – тепло, выделенное при U
1
< U
2
< U
3
, а Q
1
– тепло, отведенное от изоляции.
56
Q1 Q2 Рис. 1.29. Изменение выделенного и отводимого Q2 тепла в изоляции при разных U Для U1 при – нет нагрева. 1 Для U2 при 1 2 2 QQTT< − ∆ + – тепловой пробой. Для U3 – всегда тепловой пробой. Т точка теплового равновесия. Рабочая температура Траб < Частичные разряды Под действием высокой напряженности электрического поля в изоляции в местах с пониженной электрической прочностью возникают частичные разряды (ЧР), которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.
ЧР обычно не приводят к сквозному пробою диэлектрика, однако приводят к местному разрушению изоляции, а при длительном существовании могут привести и к сквозному пробою. Возникновение ЧР всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим регистрация характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления изоляции и выявлять местные дефекты. Характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируют с размерами и количеством дефектов, те. позволяют судить о степени дефектности изоляционной конструкции. Изучение характеристик ЧР в зависимости от различных условий работы стало вопросом первостепенной важности для кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других устройств – там, где применяется слоистая изоляция при переменном, постоянном, пульсирующем и импульсном напряжениях.
57
При рассмотрении механизма возникновения ЧР воспользуемся эквивалентной схемой замещения диэлектрика с общей емкостью С
Э
(рис. 1.30). д Св д
C
д
С
в
C
0
U
в
=
Рис. 1.30. Схема замещения твердого диэлектрика С – емкость бездефектной изоляции Св – емкость воздушного включения
С
д
– емкость диэлектрика последовательно с включением в – напряжение пробоя воздушного включения в
д
Э
0
в д С. (1.42)
ЧР возникают тогда, когда напряжение на включении достигает пробивного значения ПР – напряжения зажигания разряда во включении. Напряженность электрического поля во включении Е
В
связана с напряженностью в остальной части диэлектрика в
д д
в
ε
ε
⋅
= E
E
, (1.43) где
– напряженность электрического поля в диэлектрике д
E
д
ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в – относительная диэлектрическая проницаемость включения. Исходя из выражения (1.43), напряженность электрического поля в газовом включении (ив любом другом, где д
в
ε
ε
<
) всегда выше, чем в остальном диэлектрике. Эпюры напряжения на включении в процессе приложения переменного напряжения приведены на рис. 1.31. При размерах включения десятки микрометров и давлении, близком к атмосферному, пробивное напряжение лежит вблизи минимума кривой Пашена, слабо изменяется с изменением размеров включения и составляет 250…300 В. Наибольшую опасность ЧР представляют на переменном или импульсном напряжении.
58
ПР t 1U 2 ПР Рис. 1.31. Эпюры напряжения на воздушном включении в твердом диэлектрике
1 – напряжение на образце 2 – напряжение на включении пр – напряжение на образце, при котором происходит пробой воздушного включения Разрушающее действие ЧР на диэлектрики обусловлено следующими факторами, возникающими при пробое включения
1 – воздействием ударных волн
2 – тепловым воздействием
3 – бомбардировкой заряженными частицами
4 – воздействием химически активными продуктами разряда (озон, окислы азота
5 – воздействием излучения
6 – развитием древовидных побегов-дендритов. В зависимости от величины заряда
q
ЧР
, измеряемого при ЧР, возможна классификация ЧР по
q
ЧР
:
1. При превышении некоторого порога напряжения в изоляции возникают ЧР с интенсивностью
q
ЧР
=10
–12
–10
–11
Кл. Такие ЧР не вызывают быстрого разрушения изоляции и во многих случаях могут быть допустимы. Такие разряды называются начальными. Дальнейшее возрастание напряжения или увеличение размеров включений в процессе длительной работы изоляции приводит к резкому возрастанию интенсивности ЧР, причем прежде всего возрастает
q
ЧР
до величины
q
ЧР
=10
–10
–10
–8
Кл. Их возникновение резко сокращает срок службы изоляции, и они не должны допускаться при рабочих условиях. Такие разряды называются критическими На постоянном напряжении интервал между ЧР во включении составляет секунды – десятки секунд, что на несколько порядков больше, чем на переменном напряжении промышленной частоты. Это позволяет увеличить рабочие напряженности электроизоляционных конструкций постоянного напряжения по сравнению с переменным. Развитие ЧР на импульсном напряжении принципиально не отличается от переменного напряжения. Часто основной причиной пробоя изоляции при многократном воздействии импульсного напряжения являются ЧР.
|
|
|
Скачать 2.62 Mb.