_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
5.2.Длительная электрическая прочность внутренней изоляции В эксплуатации характеристики изоляционных конструкций не остаются неизменными. В изоляционных материалах неизбежно протекают физико-химические процессы, изменяющие их структуру или состав. Вследствие этого качество изоляции с течением времени ухудшается: электрическая и механическая прочности снижаются, диэлектрические потери ипроводимость растут. Ухудшение во времени характеристик изоляции в условиях нормальной эксплуатации называют естественным старением. Кроме того, ухудшение изоляции может пр6исходить вследствие ошибок персонала, а также из-за непредвиденных аварийных или стихийных обстоятельств. Старение ограничивает срок службы внутренней изоляции, так как с течением времени ее электрическая прочность снижается настолько, что изоляция не может противостоять возникающим в эксплуатации электрическим воздействиям и создается опасность её пробоя. Процессы, обусловливающие старение изоляции, можно разделить на две группы: 1. Процессы изменения состава или структуры самих изоляционных материалов. Примером могут служить разрушение их частичными разрядами, постепенное разложение и окисление при нагреве, расслоение или растрескивание под действием механических нагрузок. Процессы в самой изоляции протекают за счет энергии, подводимой извне при внешних электрических, механических, тепловых и других воздействиях. Поскольку при различных воздействиях энергия к изоляции подводится в разных формах, в ней протекают разные физические процессы. Соответственно различают электрическое, тепловое и другие виды старения. Изоляция оборудования высокого напряжения подвергается воздействию сильных электрических полей не только при различных видах перенапряжений, но и при рабочем напряжении. Поэтому в отличие от изоляции низковольтных установок для высоковольтной изоляции наряду с тепловым и механическим старением важнейшее значение имеет старение электрическое, т. е. старение, вызванное процессами, возникающими в сильных электрических полях. 2. Процессы проникновения в изоляцию из окружающей среды различных примесей, ухудшающих ее электрические характеристики. Примером такого рода процессов является увлажнение изоляции. В реальных условиях эксплуатации различные процессы старения могут протекать автономно, однако чаще они влияют друг на друга так, что темпы старения возрастают, а сроки службы изоляции сокращаются. Проникающие в изоляцию из окружающей среды влага, кислород и другие вещества могут значительно ускорять процессы старения в самой изоляции. В определенных условиях сильные электрические поля могут вызывать старение изоляции. Главный, но не единственный результат такого старения состоит в том, что кратковременная электрическая прочность изоляции со временем уменьшается. В момент, когда пробивное напряжение UПРизоляции снижается до значения воздействующего напряжения, процесс старения завершается пробоем. Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды. Они представляют собой пробои отдельных слоев или участков изоляции, толщина которых намного меньше полной толщины изоляции. Частичные разряды возникают при некотором напряжении UЧ.Р. (или при напряженности ЕЧ.Р) в местах усиления электрического поля или там, где имеются местные ослабления изоляции, например в газовых (воздушных) включениях. Отдельный частичный разряд сопровождается, как правило, рассеянием небольшой энергии и ничтожно малым разрушающим эффектом. Однако многократное повторение разрядов в течение длительного времени постепенно приводит к разрушению изоляции до полного пробоя. Частичные разряды — не единственная причина электрического старения высоковольтной изоляции. При длительном воздействии напряжения в изоляции могут протекать также электрохимические процессы старения. Суть этих процессов состоит в том, что под действием электрического поля ионы или другие заряженные частицы, неизбежно присутствующие в технических диэлектриках, извлекаются из объема изоляции и скапливаются у электродов, где они могут участвовать в химических реакциях с образованием продуктов, ухудшающих качество изоляции. Например, реакции с выделением газов ведут к появлению газовых включений и возникновению частичных разрядов. При переменном напряжении электрохимические процессы практически отсутствуют, так как из-за непрерывной и быстрой смены направления электрического поля большая часть ионов лишь вибрирует, не достигая электродов. Однако при постоянном напряжении и при наличии диэлектриков со значительной проводимостью электрохимические процессы могут оказывать существенное влияние на сроки службы изоляции. Частичные разряды (ЧР) в высоковольтной изоляции возникают в газовых включениях или в прослойках жидкого диэлектрика. В бумажно-масляной изоляции обычного исполнения могут иметь место ЧР двух видов, существенно отличающихся по природе явлений, интенсивности и разрушающему воздействию на изоляцию. Частичные разряды первого, вида, которые называют начальными, представляют собой лавины электронов, развивающиеся непосредственно в масляных прослойках от микровыступов на поверхностях электродов, около которых электрическое поле усилено. Энергия WЧ.Р начальных ЧР невелика (qпримерно равно 10-15—10-13 Кл) и недостаточна для разрушения бумаги. Начальные ЧР вызывают лишь разложение масла с выделением газов и ряда других продуктов. Однако количество газов, выделяющихся при одном начальном ЧР, очень мало (примерно 10-15—10-13 см3). Такие порции газа быстро растворяются в масле, и устойчивые газовые включения в изоляции не образуются. Вследствие этого каждый последующий разряд вновь развивается в масле. Продукты разложения масла начальными ЧР остаются в изоляции и со временем ухудшают её качество. Из-за малой интенсивности процесса разрушающий эффект от начальных ЧР становится заметным только после длительного воздействия (от нескольких часов до нескольких лет). Рост интенсивности начальных ЧР при повышении напряженности в изоляции сопровождается увеличением скорости выделения газов за счет разложения масла. При превышении некоторой напряженности скорость выделения газов становится больше скорости их растворения в масле, поэтому в изоляции образуются крупные газовые включения, в которых сразу же возникают мощные ЧР, получившие название критических. С появлением критических ЧР газовыделение резко увеличивается, число газовых включений лавинообразно растет, масло вытесняется из бумаги и прослоек. При переходе от начальных ЧР к критическим интенсивность процесса скачком возрастает в 103—104 раз. Энергия, рассеиваемая при разрядах, становится достаточной для разрушения бумаги. Поэтому за относительно малое время (от секунд до часов) в зависимости от толщины изоляции и мощности ЧР критические ЧР развиваются в полный пробой изоляции. При постоянном напряжении критические ЧР в бумажно-масляной изоляции нормального качества не возникают вплоть до пробоя, так как малая интенсивность начальных разрядов не обеспечивает требуемой скорости газовыделения. Однако в сильно увлажненной изоляции, особенно при повышенной температуре, когда проводимость изоляции резко возрастает, интенсивность начальных ЧР может оказаться достаточной для возникновения газовых включений и появления критических разрядов. В маслобарьерной изоляции, как и в бумажно-масляной, могут иметь место начальные и критические ЧР. Однако в этом случае независимо от физической природы разрядов и скорости газовыделения к начальным относят ЧР сравнительно малой интенсивности, не разрушающие твердый диэлектрик (бумагу, картон), а к критическим — ЧР, сопровождающиеся выделением значительной энергии, достаточной для необратимого разрушения твердого диэлектрика. Энергия начальных ЧР сравнительно мала, поэтому их воздействие на изоляцию ограничивается разложением масла. Однако этот процесс не имеет существенного значения, так как в трансформаторах объемы масла велики и концентрации продуктов разложения растут очень медленно. Кроме того, в случае необходимости масло может быть полностью заменено новым. Критические ЧР представляют собой пробои масляных каналов или скользящие разряды вдоль барьеров. Их кажущийся заряд q лежит в пределах 10-8—10-5 Кл, а энергия достигает 0,1—1,0 Дж. Такие разряды сразу же оставляют видимые следы разрушения твердой изоляции барьеров. Появление на барьере проводящих следов из обугленной целлюлозы вызывает искажение электрического поля и значительное повышение напряженности у концов этих следов. Поэтому если подобные следы от пробоев масляного канала образуются при воздействии перенапряжений, то затем ЧР достаточно высокой интенсивности могут развиваться у концов, проводящих следов уже и при рабочем напряжении. В результате длина проводящих следов с нарастающей скоростью увеличивается и происходит перекрытие изоляции по барьеру. Такой процесс постепенного образования проводящего канала и прорастания разряда вдоль барьера получил название «ползущего» разряда. Время развития «ползущего» разряда до полного пробоя изоляции зависит от ряда случайных факторов, в частности от случайной последовательности перенапряжений, способных вызвать пробой первого масляного канала. Оно может колебаться в пределах от нескольких часов до нескольких месяцев. Тепловое старение, т. е. постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции при длительном нагреве, происходит вследствие того, что при повышении температуры возникают или ускоряются химические процессы в изоляционных материалах. Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется главным образом в снижении их механической прочности. В частности, у наиболее распространенных в высоковольтной изоляции материалов из целлюлозы (бумага, картон) при длительном нагреве особенно сильно снижается прочность на растяжение и излом.. Большинство твердых изоляционных материалов, применяемых в электрических аппаратах и машинах высокого напряжения, также постепенно теряют механическую прочность при. длительном нагреве и выходят из строя в результате пробоя, возникающего после механического повреждения. Тепловое старение жидких диэлектриков выражается прежде всего в повышении проводимости и диэлектрических потерь. В минеральных маслах при повышении температуры развиваются окислительные процессы, в результате которых образуются органические кислоты, кетоны, альдегиды и твердые продукты (смолы). Эти продукты образуют ионы и коллоидные частицы в масле. В итоге проводимость и диэлектрические потери масла увеличиваются. Одновременно с этим снижается и электрическая прочность. Увеличение диэлектрических потерь вызывает дополнительный нагрев изоляции и ускорение темпов ее старения. При определенных условиях рост диэлектрических потерь может привести к тепловому пробою. Значение  Т в среднем составляет примерно 10°С. При ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в 2 раза.Рассмотренные выше процессы не исчерпывают все возможные воздействия на изоляцию при нагреве. В ряде случаев, например, могут возникать значительные механические усилия, остаточные деформации и даже разрушения, обусловленные тепловым расширением металлических частей электрических аппаратов. При увлажнении внутренней изоляции влага проникает в изоляцию из окружающего воздуха и может образовываться в самой изоляции при термоокислительных процессах. Скорость ее поступления зависит от влажности и температуры окружающего воздуха, гигроскопичности диэлектриков и от температуры самой изоляции, а также от ее конструкции (от наличия и качества уплотнений, от поверхности, соприкасающейся с воздухом, и т. д.). Влияние влаги на характеристики изоляции обусловлено тем, что влага может образовывать с другими загрязнениями слабые электролиты. В последних происходят диссоциация и образование ионов, что влечет за собой рост проводимости и диэлектрических потерь. В результате может увеличиться нагрев изоляции и возрасти скорость теплового старения. Кроме того в присутствии влаги химические процессы идут активнее, могут выделяться газы, образовываться газовые включения и в них возникать ЧР. При постоянном напряжении повышение проводимости изоляции вызывает резкое увеличение интенсивности ЧР. Таким образом, увлажнение твердой изоляции опасно прежде всего тем, что оно ускоряет электрическое и тепловое старение и сокращает сроки службы изоляции. Увлажнение жидких диэлектриков сопровождается не только повышением проводимости и диэлектрических потерь, но также и значительным снижением кратковременной электрической прочности. Лекция 11. 5.3.Кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции Это способность изоляции выдерживать грозовые и внутренние перенапряжения и непродолжительные повышения рабочего напряжения. Многократные воздействия перенапряжений не должны вызывать не только сквозной пробой изоляции, но и повреждения местного характера, которые затем, могут ускоренно развиваться под действием рабочего напряжения и привести к преждевременному выходу изоляции из строя. Механизм пробоя внутренней изоляции, состоящей из комбинации нескольких диэлектриков, при кратковременном приложении напряжения весьма, сложен. Он может быть различным в зависимости от длительности воздействия напряжения, от свойств отдельных диэлектриков и распределения этих диэлектриков по объему изоляции, а также в зависимости от температурных условий и конфигурации электрического поля. Для внутренней изоляции, как и для отдельных диэлектриков, различают два вида пробоя: электрический и тепловой. При электрическом пробое образование и быстрое размножение подвижных заряженных частиц в изоляции происходит непосредственно под действием сильного электрического поля. В случае теплового пробоя электрическое поле обусловливает сильный разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до теплового разрушения, которое сопровождается переходом в состояние, повышенной проводимости. 5.4.Методы испытания изоляции При серийном производстве и массовом применении оборудования высокого напряжения имеется некоторая вероятность появления в изоляции дефектов из-за разного рода ошибок в процессе изготовления, транспортировки, монтажа или во время эксплуатации, а также вследствие неучтенных внешних воздействий. Чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоляции, используется система контроля качества изоляционных конструкций путем различных испытаний. Действующая в настоящее время система контрольных испытаний включает в себя следующие этапы. Новая изоляционная конструкция до передачи ее в производство проходит государственные, межведомственные или другие испытания, во время которых всесторонне проверяется ее пригодность к работе в заданных условиях. Готовые изоляционные конструкции, предназначенные для работы в установках высокого напряжения, подвергаются приемо-сдаточным испытаниям на заводе-изготовителе, а затем на месте эксплуатации после выполнения монтажа и других подготовительных работ. В процессе эксплуатации состояние изоляции периодически контролируется при послеремонтных и профилактических испытаниях. С помощью последних выявляется не только изоляция со случайно возникшими дефектами, но также и изоляция, состарившаяся естественным путем в результате длительной работы. Объем, методы и нормы испытаний устанавливаются соответствующими стандартами, техническими условиями и Правилами технической эксплуатации электроустановок. Используемые при всех видах испытаний методы можно классифицировать следующим образом; испытания повышенным напряжением с пробоем дефектной изоляции; испытания при рабочем или повышенном напряжении с малой вероятностью пробоя — измерения  и характеристик ЧР при напряжениях, близких к рабочему; неразрушающие методы — измерения , сопротивления утечки емкостных характеристик при низких напряжениях; неэлектрические методы контроля. Разные методы контроля изоляции по-разному выявляют различные по характеру дефекты. Последние обычно условно подразделяют на две группы: сосредоточенные и распределенные. К первым относятся дефекты малых размеров, например проколы, трещины, газовые включения; ко вторым — дефекты, охватывающие значительные объемы изоляции, например увлажнения или загрязнения. Изоляция электрических установок в условиях эксплуатации подвергается воздействию рабочего напряжения, внутренних и грозовых перенапряжений. Способность изоляции выдерживать перенапряжения проверяется путем испытания ее электрической прочности соответственно напряжением промышленной частоты (50 Гц) и импульсным напряжением. Учитывая различную зависимость электрической прочности изоляции от атмосферных условий, а также влияние других факторов, испытательные напряжения нормируются отдельно для внутренней и для внешней изоляции. Импульсные испытательные напряжения установлены для координации электрической прочности изоляции электрооборудования с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями, ограниченными защитными разрядниками. Испытания проводятся стандартными импульсами 1,2 / 50 мкс (полными импульсами), а также импульсами, срезанными при предразрядном времени 2—3 мкс (срезанными импульсами). Импульсные испытательные напряжения электрооборудования, установленные ГОСТ приведены в табл.9. Испытательные напряжения внешней изоляции, указанные в табл. 9, приведены к нормальным атмосферным условиям. При отклонении условий испытания от нормальных необходимо внести поправки в значения испытательных напряжений. Испытательные напряжения промышленной частоты (см. табл. 10)установлены с целью координации электрической прочности изоляции электрооборудования с воздействующими на нее внутренними перенапряжениями. Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц), установленные ГОСТ, приведены в табл. 10. Таблица 10 Испытательные действующие напряжения промышленной частоты (50Гц) для электрооборудования с нормальной изоляцией, кВ
Таблица 9 Импульсные испытательные напряжения электрооборудования с нормальной изоляцией, кВ
Контрольные вопросы
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||