учебное пособие. Учебное пособие ТВН. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника
 Скачать 5.05 Mb.
|
|
1.2.1.2. Механизм пробоя жидких диэлектриков Экспериментальные результаты по пробою жидких диэлектриков показывают наличие как минимум двух областей, связанных с временем воздействия напряжения (рис. 1.21), появление которых объясняется различными механизмами пробоя. При длительном воздействии напряжения 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 более проводящие каналы, по которым протекает ток, разогревающий их и прилегающую к нему жидкость до кипения. Газ в жидкости образуется также за счет диссоциации молекул в электрическом поле и электролизе, в дальнейшем растворенный газ коагулирует в пузырьки при нагреве жидкости токами проводимости. Образование газовых пузырьков у электрода может также иметь место и при импульсном напряжении как за счет диссоциации молекул жидкости, так и за счет локального вскипания жидкости под воздействием выделенной энергии. В газовых пузырьках развивается ударная ионизация, образуются стримерные каналы, которые развиваются к противоположному электроду. В длинных (сантиметровых) промежутках пробой, как и в газах, имеет лидерный характер. При воздействии импульсов напряжения с длительностью < 10–3 с влияние примесей значительно ослаблено, т. е. они не успевают переместиться на заметные расстояния. Начальная стадия разряда в жидкости возникает при напряженностях около 100 кВ/см. В этом случае начинают проявляться процессы электронной эмиссии и ионизации молекул жидкости. Возможна ударная ионизация у катода и автоионизация жидкости у анода. Все перечисленные явления могут участвовать в инициировании разряда. 1.2.2. Пробой твердых диэлектриков В зависимости от электрофизических характеристик твердого диэлектрика, вида напряжения и условий работы можно установить три основных вида пробоя: Электрический пробой, возникающий в результате развития ионизации (без химических превращений и перегрева), практически не зависящий от температуры. Тепловой пробой, связанный с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при протекании в нем тока проводимости и диэлектрических потерь. При этом тепловыделение в твердом диэлектрике должно превышать теплоотдачу в окружающую среду, что обусловливает рост температуры во времени, проплавление диэлектрика и формирование проводящего канала. Пробой при длительном приложении напряжения, связанный с развитием необратимых процессов: химических превращений, образованием субмикро- и микротрещин, развитием частичных разрядов. Пробивная напряженность большинства твердых диэлектриков при электрическом пробое в однородном поле составляет 102…103 кВ/см, при тепловом – 10…102 кВ/см. Наиболее сильное влияние на электрическую прочность твердых диэлектриков оказывает время приложения напряжения, температура, толщина диэлектрика, эффект полярности. 1.2.2.1. Влияние условий эксплуатации на электрическую прочность твердых диэлектриков В  лияние времени приложения напряженияЗависимость пробивного напряжения от времени называется вольт-секундной характеристикой. Обобщение вольт-секундной характеристики твердых диэлектриков приведена на рис. 1.30. Если время приложения напряжения не превышает долей секунды (области А и В), то пробой носит чисто электрический характер. Тепловые процессы, в силу своей инерции, не успевают развиться столь существенно, чтобы повлиять на Uпр. Область С характеризуется резким спадом пробивного напряжения, что, несомненно, говорит о преобладающей роли тепловых процессов при пробое. Область Д – наиболее низкое, квазиустановившееся (очень медленно спадающее во времени) пробивное напряжение, обусловленное медленными процессами деградации (старения) твердого диэлектрика. Резкое возрастание пробивного напряжения в области А связано с запаздыванием развития канала пробоя. Скорость развития разрядных каналов в твердом диэлектрике зависит от коэффициента перенапряжения и составляет 0,1…106 см/с. Следовательно, время возникновения резкого возрастания пробивного напряжения будет зависеть от толщины твердого диэлектрика. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения, соответствующая электрической форме пробоя, называется вольт-секундной характеристикой (ВСХ) (на рис. 1.30 это временной интервал tпр < 10–1 с), а при t более 10–1 – вольт-временной. Влияние толщины диэлектрика и полярности электродов Э  лектрическая прочность диэлектрика при неизменных геометрических параметрах электродов увеличивается с уменьшением толщины диэлектрика. На рис. 1.31 приведена зависимость электрической прочности Екр непропитанной конденсаторной бумаги от толщины на переменном напряжении 50 Гц. Наблюдается резкое возрастание Епр при толщинах 20 мкм и менее. Этот эффект был открыт А.Ф. Иоффе в 1928 году. Тонкие слои диэлектрика используется в изоляции конденсаторов, межвитковой или межслоевой изоляции трансформаторов, бумажно-масляной и пленочно-масляной изоляции кабелей, вводов. Увеличение пробивного напряжения с ростом толщины изоляции происходит с насыщением как для органической, так и неорганической изоляции (рис. 1.32). Характер этих зависимостей аналогичен Епр газов и жидкостей: снижение электрической прочности Епр диэлектриков с увеличением толщины в широком диапазоне изменения толщин. Эффект полярности также присущ твердым диэлектрикам. Как видно из рис. 1.32, изменение полярности электрода-острия приводит к изменению электрической прочности диэлектрика при одной и той же его толщине. Пробивное напряжение при отрицательной полярности электрода-острия выше, чем при положительной. Эта разница возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости (на рис. 1.32 для оргстекла = 3,5; для каменной соли = 5,6). В полярных диэлектриках, так же как и в жидкостях, этот эффект больше, чем в неполярных. Влияние температуры Пробой твердых диэлектриков в зависимости от температуры внутри диэлектрика имеет достаточно сложный характер и может быть разделен на две области относительно некоторой критической температуры Ткр. Наличие двух областей характерно как для органических, так и неорганических диэлектриков. На рис. 1.33 приведены подобные зависимости для полиэтилена (кривая 1) и фарфора (кривая 2). В области низких температур прибивное напряжение практически не зависит от температуры.  Начиная с определенной критической температуры (для полиэтилена Ткр +30 ºС, для фарфора Ткр +60 ºС), происходит резкое и значительное снижение электрической прочности. Зависимости на рис. 1.33 характерны для многих диэлектриков. Следовательно, для одного и того же диэлектрика наблюдается две температурные области: область теплового пробоя – высокие температуры и область электрического пробоя – низкие температуры. Граница этих областей даже для одного и того же материала достаточно условна, поскольку она зависти от условий работы (охлаждение, вид напряжения, форма импульса, частота). При плохом охлаждении изоляции или при высокой температуре окружающей среды эта граница смещается в сторону низких температур. 1.2.2.2. Механизм электрического пробоя твердых диэлектриков Электрический пробой твердых диэлектриков происходит в тех случаях, когда исключена возможность существенного разогрева диэлектрика или процессов старения. Признаками электрического пробоя могут служить: а) независимость Uпр от температуры; б) слабая зависимость Uпр от времени (не считая очень коротких времен, < 10–6 с); в) значительное влияние локальных неравномерностей электрического поля. В твердых диэлектриках, так же как в газообразных и жидких, необходимо выделить 2 стадии развития канала разряда: 1. Формирование разряда: появление (источник) свободных заряженных частиц (электроны, ионы), образование ионизационных процессов, протекание тока через диэлектрик, создание проводящего пути. 2. Завершение разряда: быстрое нарастание тока через диэлектрик, спад напряжения до нуля. В  есь этот процесс может быть изображен графически при помощи вольтамперной характеристики (рис. 1.34), где 0а – проводимость диэлектрика не изменяется (соблюдается закон Ома); ав – ток быстро возрастает не пропорционально напряжению (нарушение закона Ома); вс – предпробивное состояние, после которого ток катастрофически увеличивается за счет увеличения проводимости (падение напряжения при этом на диэлектрике уменьшается). Пробой твердых диэлектриков всегда ассоциируется с возникновением канала, обладающего высокой проводимостью и замыкающего разрядный промежуток. Электрический пробой обычно связывают с кратковременным, импульсным воздействием на изоляцию высокого напряжения. Отсутствие научно обоснованных инженерных методов расчета затрудняет эффективное использование твердой изоляции во всем многообразии современного ее применения. При электрической форме пробоя по аналогии с газообразными диэлектриками механизм пробоя твердых диэлектриков основывался также на ударной ионизации валентной зоны. Закономерности и механизм формирования разряда Предпробивной этап развития импульсного разряда завершается при замыкании каналом всего разрядного промежутка. Этим завершается первая стадия. Вторая стадия начинается, когда электрический разряд переходит в состояние дуги, горящей в ограниченном пространстве. На этом завершающем этапе пробоя принципиально изменяются факторы, определяющие физическое содержание процесса. На предпробивном этапе определяющими факторами являются параметры импульса напряжения, свойства диэлектрика и геометрия разрядного промежутка. На втором этапе главная роль отводится электрическим параметрам разрядной цепи и источника энергии. Это одна из моделей, описывающих электрический пробой твердых диэлектриков. Она основана на современных достижениях физики твердого тела (наука о процессах, происходящих в твердых диэлектриках при воздействии сильных электрических полей 1.2.2.3. Тепловой пробой твердых диэлектриков При всех разрешенных режимах работы изоляционной конструкции наибольшие температуры ее элементов не должны превышать допустимые значения. Необходимо, чтобы выделяющееся в ней тепло надежно отводилось в окружающую среду. В противном случае происходит ускоренное тепловое старение и сокращение ресурса изоляционной конструкции или нарушение ее тепловой устойчивости, т. е. тепловой пробой. Для теплового пробоя характерны следующие признаки: пробивное напряжение уменьшается с увеличением длительности приложения напряжения; пробивное напряжение уменьшается с ростом толщины образца; пробой происходит в том месте, где теплоотдача в окружающую среду наименьшая; тепловой пробой наиболее часто происходит при напряженностях поля Епр = 10…102 кВ/см. Развитие теплового пробоя в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности: UдIдTд и tgIдTд и т. д., где Uд – напряжение, приложенное к диэлектрику; Iд – ток, текущий через диэлектрик; Tд– температура диэлектрика; и tg – проводимость и угол диэлектрических потерь диэлектрика. Нагрев изоляционной конструкции происходит, в общем случае, за счет потерь в токоведущих частях и в самой изоляции. Мощность потерь энергии при постоянном токе:  (1.51)где R, – сопротивление и проводимость изоляции. Мощность диэлектрических потерь в изоляции при синусоидальном напряжении  (1.52)где f – частота переменного тока; С – емкость изоляции; tg – угол диэлектрических потерь. Удельная мощность потерь  (1.53)где – относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляции; 0 – электрическая постоянная (0 = 8,854 10–12 Ф/м); Е – напряженность электрического поля в изоляции. Потери энергии в твердом диэлектрике приводят к повышению его температуры. С увеличением температуры увеличивается tg по закону  (1.54)где tg0 – тангенс угла диэлектрических потерь при заданной температуре Т0, например при +20 ºС; а – коэффициент, зависящий от свойств изоляции; Т0 – исходная температура окружающей среды. Для относительно узкого интервала возможных рабочих температур зависимость (ионная проводимость) от температуры Т как для жидких, так и для твердых диэлектриков может быть выражена в виде  (1.55)где 0 – проводимость при температуре Т0; а – коэффициент, определяемый опытным путем. Ионная проводимость не зависит от напряженности вплоть до предпробивных полей. Тепловой пробой – это нарушение теплового равновесия в изоляционной конструкции, следствием которого является неограниченный рост наибольшей температуры Тмакс и разрушение изоляции. Он происходит при напряжении Uпр, когда выполняется условие   (1.56)Основу методики расчетов составляет решение дифференциального уравнения вида  (1.57)где Z – координата, по которой происходит основной теплоперенос от наиболее нагретой области; Рд – удельные потери мощности; К – коэффициент теплопроводности. При этом необходимо задать граничные условия. Для плоского диэлектрика на постоянном напряжении граничные условия могут быть записаны в следующем виде (рис. 1.35): I.  (1.58)где k – коэффициент теплопроводности диэлектрика; k1 – коэффициент теплопроводности электродов. То есть на границе раздела диэлектрик–электрод поток тепла непрерывен: сколько тепла подходит из диэлектрика, столько же отводится в электрод. II.  (1.59)где – коэффициент теплоотдачи с поверхности электродов во внешнюю среду; сколько тепла подошло к внешней поверхности электрода, столько и отведено во внешнюю среду. III.  (1.60)Это условие показывает, что температура для симметричной конструкции нашего диэлектрика максимальна в его центре. Рассмотрим слой однородного диэлектрика (рис. 1.35) с толщиной d, находящегося между бесконечными плоскими электродами (конденс  атор).  а б Рис. 1.35. Схема к расчету теплового пробоя диэлектрика (а) и график изменения температуры внутри диэлектрика (б): – потенциалы электродов; d – толщина диэлектрика; h – половина толщины диэлектрика, h = d/2; – толщина электрода; Т0 – температура окружающей среды; Т1 – температура границы электрод–диэлектрик; Т2 – температура внешней поверхности электрода; Тм – максимальная температура в центре диэлектрика Дифференциальное уравнение, соответствующее равновесному тепловому состоянию системы, имеет вид  (1.61)где э – эквивалентная удельная проводимость диэлектрика; для постоянного напряжения э = 0, для переменного напряжения э = tg. Уравнение (1.58) показывает, что поток тепла, входящий за 1 секунду в слой диэлектрика толщиной dZ и площадью 1 см2, будет меньше потока, выходящего из этого слоя, на количество тепла, выделяющегося в этом слое за 1 секунду вследствие диэлектрических потерь. Решение дифференциального уравнения (1.58) для указанных выше граничных условий и использование условия (1.56) дает следующие выражения для пробивного напряжения: при переменном напряжении  (1.62)при постоянном напряжении  (1.63)где эо = 2f0tg – для переменного напряжения; (с), 1(с) – функции параметра с, графики которых приведены на рис. 1.36. При увеличении толщины изоляции d функция (с) для переменного напряжения в пределе стремится к 0,663, а функция 1(с) для постоянного напряжения – к 1,0. Следовательно, предельно достижимые значения пробивного напряжения (при Т = Т0) будут: при переменном напряжении  (1.64)при постоянном напряжении  (1.65) Рис. 1.36. Функция (с) и 1(с) к расчету теплового пробоя: 1 – переменное напряжение; 2 – постоянное напряжение Сравнивая (1.59, 1.61) и (1.63, 1.65), получаем, что на переменном напряжении Uпр меньше, чем на постоянном, поскольку (с) < 1(с). Такое различие обусловлено неодинаковым распределением потенциалов по толщине диэлектрика и разной величиной потерь мощности в диэлектрике. 1.2.2.4. Длительная электрическая прочность твердых диэлектриков При длительной эксплуатации электроизоляционных устройств происходит старение твердой изоляции, которое выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности, увеличении проводимости и диэлектрических потерь и, как следствие, в ограничении срока службы изоляционных конструкций. В связи с этим при разработке и изготовлении оборудования высокого напряжения, а также при организации его эксплуатации должны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоляции. Изменение свойств изоляции при эксплуатации происходит за счет: электрического и теплового полей, поля механических напряжений, химического взаимодействия с окружающей средой. Причинами старения внутренней изоляции являются: старение вследствие развития частичных разрядов (независимых разрядов в имеющихся порах или образующихся дендритах) при перенапряжениях и рабочем напряжении; тепловая деструкция (старение) материала; увлажнение изоляции и водный триинг (рост древовидных, насыщенных водой фигур); электрохимическое старение; механическое старение и повреждения за счет электродинамических усилий, вибраций и т. п. Как правило, при воздействии электрического поля изоляция подвержена комплексу названных выше воздействий или, в крайнем случае, двум-трем факторам, но преобладать может какой-то один. Такое многофакторное воздействие до настоящего времени не позволяет связать «время жизни» изоляции с каким-либо одним определяющим фактором. Старение имеет место при напряженностях электрического поля, во много раз меньших пробивных при кратковременном приложении напряжения (в 5–20 раз и более). С увеличением напряжения U, приложенного к изоляции любого типа, темпы электрического старения возрастают, а срок службы t, соответственно, уменьшается. Зависимость t = f(U) в широком диапазоне времен имеет сложный характер. Интенсивность электрического старения любой изоляционной конструкции зависит не только от значения воздействующего напряжения, но и от ряда факторов, неподдающихся контролю, например от количества, размеров и расположения микронеровностей на поверхности электродов и микро-, макронеоднородностей в объеме изоляции. Поэтому срок службы изоляционной конструкции любого типа при заданном напряжении является величиной случайной. Электрическая прочность при длительном приложении напряжения характеризует способность изоляции выдерживать рабочее напряжение в течение определенного срока службы и численно определяется напряженностью электрического поля (напряжением), приводящей к разрушению изоляции к концу заданного периода эксплуатации, например через 20–30 лет. Для описания общего вида отказов изоляционных устройств во времени используют зависимость интенсивности отказов (t). Эта важная характеристика определяет надежность работы изоляции в каждый момент времени t. Интенсивность отказов (t) есть вероятность того, что электроизоляционное устройство, дожившее до момента t, откажет за следующую единицу времени. Функция (t), приведенная на рис. 1.37, имеет большое практическое значение для анализа результатов времени работы объекта. На рис. 1.38 в общем виде приведена зависимость (t).  Рис. 1.37. Зависимость интенсивности отказов электроизоляционных устройств от времени работы На рис. 1.37 различают 3 области: I – область начальных отказов – область приработки (t0 – t1); II – область случайных отказов – рабочая область (t1 – t2); III – область износовых отказов – старение (t > t3). Область I – приработка – связана с выходом из строя (отказами) изоляции за счет грубых технологических дефектов в процессе ее изготовления. К концу периода (t0 – t1) эти дефекты полностью выявляются и интенсивность отказов резко понижается. Следовательно, при правильно проведенных предварительных заводских испытаниях можно выявить брак в изоляции и повысить надежность ее эксплуатации в работе. Область II – внезапные случайные отказы, которые не могут быть устранены приработкой. Они возникают внезапно и определяются случайным сочетанием ряда неблагоприятных факторов, действующих на изоляцию, – высокие амплитуды перенапряжений, перегрев изоляции, повышенные случайные механические нагрузки, атмосферные воздействия и др. Здесь интенсивность отказов остается величиной постоянной. Область III – отказы вызываются общим старением изоляции (износовые отказы), которые связаны с длительным приложением электрического поля к изоляции и всеми сопутствующими ему процессами. Увеличение времени работы изоляции больше t2 нецелесообразно, т. к. это приводит к снижению надежности ее работы, увеличению аварийности. Наиболее желательной областью эксплуатации электроизоляционных устройств является область случайных отказов (t1 – t2), в которой интенсивность отказов минимальна. Задача выбора рабочей напряженности Ер для высоковольтного изоляционного устройства, обеспечивающей требуемый срок службы, достаточно сложна и требует большого объема экспериментальных исследований, поскольку в большинстве случаев расчеты базируются на эмпирических предпосылках. Эффективным методом определения Ер является расчет по уравнению «кривой жизни». Это уравнение является основной характеристикой, позволяющей экстраполировать экспериментальные результаты в область рабочих напряженностей электрического поля. Оно наиболее часто записывается в виде  (1.66)где t– «время жизни» изоляции при напряженности Е; А,n – коэффициенты, определяемые экспериментально: коэффициент А – известное значение «времени жизни» t0 при заданной напряженности Е0, т. е.  ; коэффициент n – тангенс угла наклона «кривой жизни» (рис. 1.38) – коэффициент скорости старения: n = tg.Подставляя значения коэффициентов в (1.63), получим:  . (1.67)Исследования поведения «кривой жизни» в широком диапазоне напряженностей электрического поля показали, что для полимеров в координатах lg t и lg Eона состоит из двух прямолинейных участков (рис. 1.37), для которых А и n различны. В этой связи уравнение (1.66) будет иметь вид  , (1.68)где i = 1, 2, т. е. для каждого участка должны быть определены свои значения А и n: А1, n1 относятся к Е > Eи, а А2, n2 – к Е < Eи. Точка перегиба lgt(lgEи)(рис. 1.38) соответствует напряженности, при которой уменьшение Е приводит к исчезновению критических частичных разрядов, увеличению коэффициентов А и n и резкому увеличению времени до пробоя. Выражение (1.66) имеет существенный недостаток – невозможно прогнозировать надежность работы изоляции, поскольку отсутствует вероятностная оценка отказов.  При длительном воздействии электрического поля на партию идентичных электроизоляционных устройств будет иметь место большой разброс времени до пробоя, достигающий нескольких порядков.Пробой – явление случайное, связанное с индивидуальными особенностями микро- и макроструктуры изоляции отдельных изделий. Пробой происходит в наиболее слабом месте изоляции. Концепция «слабейшего звена», которая учитывает распределение минимальных сроков службы, на сегодня является наиболее разработанной в приложении к теории пробоя электрической изоляции. С этой точки зрения наиболее приемлемым и физически обоснованным для описания «времени жизни» является вероятностное уравнение Вейбулла. Для конкретного значения испытательной напряженности электрического поля Еисп функция распределения времени до пробоя имеет вид  (1.69)где Q(t) – вероятность пробоя изоляции; В и b – параметры уравнения Вейбулла, определяемые экспериментально. Практическая ценность выражения (1.69) заключается в возможности оценки долговечности работы изоляционного устройства с любым уровнем надежности. Для описания «кривой жизни» уравнение Вейбулла имеет вид  (1.70)где С, а – определяемые экспериментально параметры уравнения Вейбулла, описывающие распределение пробивных напряженностей изоляции. Контрольные вопросы к главе 1 Приведите классификацию электрических полей в технике высоких напряжений. Виды ионизационных процессов в газах. Виды эмиссии. Дайте определение лавины электронов. По какому закону происходит рост числа электронов в лавине? Запишите условие самостоятельности разряда в газах. В результате какого процесса происходит образование отрицательных ионов? Какой электрон называется эффективным? Стример. Критерий лавинно-стримерного перехода. Искровой разряд. Чем определяется сопротивление канала искрового разряда? Закон Пашена. Особенности разряда в неоднородных полях. Лидерный разряд. Условие стримерно-лидерного перехода. Молния как форма газового разряда. Стадии и основные параметры молнии. Дуговой разряд. Особенности эмиссии в дуговых разрядах. Условие возникновения коронного разряда. Виды короны. Расчет потерь на корону. Разряд по поверхности диэлектрика. Виды поверхностного разряда. Факторы, влияющие на напряжение зажигания поверхностного разряда. Дайте определение пробоя. Временная структура развития разряда. Что представляет собой вольт-секундная характеристика? В чем заключается эффект полярности? Особенности и преимущества жидких диэлектриков. Факторы, влияющие на развитие ионизационных процессов в жидких диэлектриках. Механизмы пробоя жидких диэлектриков. Влияние условий эксплуатации на электрическую прочность твердых диэлектриков. Механизм электрического пробоя твердых диэлектриков. Механизм теплового пробоя твердых диэлектриков. Как происходит процесс электрического старения твердых диэлектриков? |