Чем опасны воздушные включения в твердую изоляцию

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

При изготовлении этих конденсаторов можно использовать слюду, содержащую воздушные включения и пятна, поскольку эти дефекты практически не влияют на электрическую прочность, а величина угла потерь в данном случае может быть допущена повышенной.  [46]

Поскольку при склеивании полиакрилатов растворителями в шве легко образуются воздушные включения , рекомендуется для нанесения растворителей пользоваться шприцем. Склеиваемые детали с одного конца соприкасаются, а на другом с помощью тефлоновой прокладки образуют зазор ( максимум в 1 мм), в который вводят требуемое количество растворителя; через 2 — 3 мин тефлоновую прокладку извлекают и шов фиксируют.  [47]

После компаундировки изоляция становится монолитной, в ней отсутствуют крупные воздушные включения .  [48]

Важно, что в результате действия указанных факторов возникают преимущественно воздушные включения различных размеров , конфигурации и расположения.  [49]

Несколько иначе обстоит дело с изоляцией, в которой имеются воздушные включения .  [50]

Туда же поступают из верхней части сепаратора через непрерывный отвод воздушные включения крекинг-остатка . С целью обеспечить постоянный уровень крекинг-остатка в сепараторе и исключить его попадание в канализацию в сепараторе установлен регулятор уровня.  [51]

Катушки, пропитанные компаундами, становятся негигроскопичными, в них отсутствуют воздушные включения и общая теплопроводность изоляции повышается за счет устранения воздушных прослоек.  [52]

Попадая в сепарационные или замерные устройства, сравнительно крупные газовые или воздушные включения достаточно быстро выделяются из жидкости, несмотря на высокую вязкость последней. Мелкие же пузырьки газа в течение продолжительного времени остаются в объеме высоковязкой нефти.  [53]

Предполагается, что слои изоляции плотно прилегают один к другому и воздушные включения между ними отсутствуют.  [54]

При заливке без вакуумирования в конструкции внутренней изоляции остается воздух — воздушные включения . Повышение температуры масла и его циркуляция в баке во время нагревания уменьшают количество воздушных включений, могущих снижать выдерживаемое напряжение изоляции; уменьшается вероятность неполадок во время приложения испытательного напряжения. Заливаемое в бак трансформатора масло может иметь температуру лишь немного ниже 55 С; при некоторых условиях количество воздушных включений в конструкции изоляции после заливки масла ( без вакуумирования) может быть относительно небольшим. В этих случаях возможно было бы обойтись без нагревания масла в баке трансформатора. По-видимому, для случая заливки масла в бак без вакуумирования в стандарте следует ограничиться рекомендацией нагревать масло в баке с целью удаления возушных включений из конструкции изоляции. Необходимо также учитывать условия пропитки твердой изоляции маслом.  [55]

Замещение воздуха в порах приводит к увеличению электрической прочности, так как воздушные включения обладают меньшей электрической прочностью, чем жидкие и твердые диэлектрики; к тому же в воздушных прослойках при переменных напряжениях всегда будут большие электрические напряженности, которые при последовательном соединении разнородных диэлектриков распределяются обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям этих диэлектриков. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь, искажению формы поля и может вызвать разрушение изоляции.  [56]

Замещение воздуха в порах приводит к увеличению электрической прочности, так как воздушные включения обладают меньшей электрической прочностью, чем жидкие и твердые диэлектрики; к тому же в воздушных прослойках при переменных напряжениях всегда будут большие электрические напряженности, которые при последовательном соединении разнородных диэлектриков распределяются обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям этих диэлектриков. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь, искажению формы поля и может вызвать разрушение изоляции. При достаточно низких напряжениях, не вызывающих ударной ионизации воздушных прослоек, наличие последних в последовательном соединении с твердой изоляцией снижает tg б за счет уменьшения токов утечки, а также снижает емкость изоляции. На рис. 3 — 5 показана зависимость tg б и емкости изоляции из двух последовательно соединенных слоев — стекла и воздуха и одного стекла без воздушного зазора между ним и электродами — от напряжения. При малых напряжениях наличие воздушного зазора сказывается благоприятно, но при некотором значении напряжения, вызывающем ионизацию воздуха, tg б резко возрастает, увеличивается и емкость. Сочетание твердой изоляции с газообразной при нормальных давлениях допустимо только при низких напряжениях, гарантирующих отсутствие ионизации. Примером является бумажно-воздушная изоляция телефонных кабелей. Для пропитки бумажных конденсаторов применяют материалы с повышенной диэлектрической проницаемостью в целях получения большей удельной емкости.  [57]

Дают значительную усадку при застывании, вследствие чего в пропитываемом изделии появляются воздушные включения , резко снижающие пробивные напряжения изоляции.  [58]

Прилипшие к гидрофобизованным участкам поверхности твердой фазы микродисперсные пузырьки в совокупности образуют воздушные включения , так или иначе влияющие на физико-химические и механические свойства пластичной массы.  [59]

В качестве слоистого диэлектрика можно рассматривать также и однородный полимер, содержащий воздушные включения в виде тонкой прослойки, например полимерную изоляцию при неплотном прилегании к токоведущей жиле. Начиная с напряженности электрического поля, при которой происходит ионизация воздушного зазора, tg б изоляции быстро растет с увеличением напряженности электрического поля вследствие увеличения tg б воздушного зазора.  [60]

Старение изоляции под действием тепловых, климатических и механических факторов

Факт, что изоляционный слой кабеля, который уже долгое время эксплуатируется, под действием различных факторов извне стареет. Как результат – часть проводки оголяется, что является очень опасным. Ведь при соприкосновении двух разных по полярности проводников, возникает короткое замыкание и искрение. Как результат – пожар. Но также есть опасность и тогда, когда проводники не соприкасаются, так как их можно замкнуть с помощью обычной отвертки. Как это может произойти? Осень просто! Например, неопытный монтажник, может по незнанию замкнуть две фазы из трехфазной сети, а это чревато также и серьезными травмами.

Почему же изоляция стареет?

На это есть несколько причин. А именно:

— Старение электрического типа, которое вызывается появлением частичных разрядов при приложении рабочего напряжения или перенапряжения. — Окислительные процессы в изоляции, а также тепловое старение. — Повышение влажности изоляционного материала.

Кроме этого, изоляция может стареть вследствие механического повреждения (электродинамические усилия, механические нагрузки, вибрации), химического повреждения – воздействие химических агрессивных веществ, органических кислот, продуктов электролиза. Немного информации об электрическом старении изоляции.

Основные понятия и виды старении изоляции

Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2—97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция — это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или га­зообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающие­ся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмос­ферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являют­ся воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в ат­мосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.

В эксплуатации на внутреннюю изоляцию электрооборудова­ния воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, имену­емое старением. Как правило, изменения свойств изоляции носят нео­братимый характер и завершаются пробоем. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восста­новительного ремонта изоляции .

Процессы старения изоляции ограничивают срок службы изо­ляционных конструкций. Поэтому при разработке, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования высокого напряжения дол­жны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоля­ции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно 20—30 лет и более).

Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуата­ции происходит за счет воздействия на нее различных видов энергии. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникно­вением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.

Электрическое старение изоляции

Электрическое старение может происходить при напряженостях электрического поля во много раз (5—20) меньше пробивных напряжений. С увеличением напряжения, приложенного к изо­ляции, темпы электрического старения возрастают, а срок службы соответственно уменьшается. Экспериментально установлено, что зависимость срока службы т от значения воздействующего напря­жения U в диапазоне значений от единиц до 104 ч имеет вид

где А — постоянная, зависящая от свойств изоляции; n — показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующе­го напряжения (n = 4—8 при напряжении промышленной частоты и n = 9… 12 при постоянном напряжении).

Для области больших сроков службы (более 104 ч) использу­ют другую формулу:

где Uчр — напряжение появления в изоляции частичных разрядов, являющих­ся основной причиной электрического старения внутренней изоляции.

Типичным значением постоянной А для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6-109 год/(кВ)n. Пока­затель степени п обычно выбирают равным 6. Таким образом, фор­мула (7.2) записывается так:

Частичные разряды представля­ют собой локальные пробои ослаблен­ных участков изоляции, которыми яв­ляются газовые полости. Зависимости t =f/( U) получили название «кривых жиз­ни» изоляции. Формулой пользу­ются для случая, когда U > Uчp. При U < Uчр электрического старения изо­ляции не происходит, и срок ее службы неограниченно возрастает. На рисунке 2.1. приведена «кривая жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе
Рисунок 2.1 — Электрическое старение изоляции в логарифмическом массштабе

Феномен старения изоляции: причины и способы предотвращения

• Главная

Выделяют несколько видов изоляции силовых кабелей: резиновая, бумажная из ПВХ.

Изоляция любых проводов рано или поздно начинает устаревать, а значит, терять свои эксплуатационные свойства. Она становится хрупкой, местами сильно трескается, то есть перестает обеспечивать по-настоящему надежную защиту изделия: значительно снижается кратковременная электрическая прочность и другие важные характеристики.

Почему же изоляция довольно быстро приходит к такому состоянию? Этому есть несколько причин, которые, действуя в комплексе или по отдельности, разрушают материал защитной оболочки. К ним относятся частые разряды (обычно появляются при перенапряжении), воздействие тепла и воздуха (окисление) и эксплуатация во влажных помещениях / во влажном климате.

Но перечисленные факторы — лишь основные, тогда как на изоляцию активно действуют еще и побочные. В их числе, к примеру, механические повреждения изделия, большие нагрузки, сильная вибрация, воздействие кислот и других химикатов, электролитические процессы.

Когда изоляция начинает стареть, может развиваться такое явление, как тепловой прибой, основной причиной возникновения которого становятся частичные разряды. Во время каждого такого разряда выделяется энергия, разрушающая молекулы, ионизирующая атомы, сильно нагревающая материал-диэлектрик, а также расходуемая на излучение. Ущерб, приносимый подобного рода разрядами, зависит от того, из какого материала выполнен изолирующий слой. Однако практически во всех случаях в толще последнего образуются многочисленные трещинки, особенно это касается твердых диэлектриков.

Что до изоляции на основе пропитанной маслянистой смесью бумаги, разряды изменяют электрические, физические и химические свойств минерального масла компонентов, а также самой бумаги. Вместе с изменением этих свойств увеличивается проводимость, а значит, возникает серьезная проблема: пробой.

Многочисленное воздействие импульсов на изоляцию ведет к аккумуляции эффекта разрушения. Дестабилизация ее энергетического поля и ускорение процесса старения могут быть вызваны

• ползущим разрядом (явление возникает в системах с маслобарьерной изоляцией);
• частичным критическим разрядом (характерно для систем с бумажной изоляцией в пропитке);
• дендритами (характерно для систем с твердой изоляцией).

Способность изоляции противостоять перечисленным выше типам воздействия известно как «электрическая кратковременная прочность».

К примеру, кабели АПвПуг имеют защищенную от влаги изоляцию.

Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции

3.3.1. Тепловое старение твердой изоляции

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.

Тепловое разложение (деструкция) бумаги в присутствии влаги и воздуха (кислорода) ускоряется. В случае, когда бумага пропитана минеральным маслом, скорость старения уменьшается, так как ограничивается доступ воздуха к бумаге. Однако в некоторых случаях этот эффект снижается вследствие того, что в самом масле образуются продукты, вызывающие разложение целлюлозы (например, органические кислоты, перекиси и др.).

Тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воз­действий практически не меняет ее кратковременной электрической прочности. Однако в реальных условиях эксплуатации одновре­менно с нагревом изоляция подвергается также и воздействию механических усилий. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приводит к механическому повреждению изоляции и уже как следствие к электрическому пробою.

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.

Срок службы изоляции τт, при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной, то

где кхим — величина, характеризующая скорость химических реакций, например количество продуктов, вступающих в реакцию в единицу времени; А — коэффициент пропорциональности.

При прочих равных условиях скорость процесса зависитот температуры Т

. Для простейших химических реакций эта зависимость определяется законом Аррениуса, согласно которому

-энергия активации;
R
-универсальная газовая постоянная.

Строго говоря, применение закона Аррениуса к сложным реакциям в изоляционных материалах неправомерно. Тем не менее опыт показывает, что выражение (2.2) дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными и в случае процессов, возникающих при тепловом старении изоляции.

На основании выражений (2.1) и (2.2),

и
В —
постоянные.

В относительно узком интервале возможных рабочих температур зависимость τт=f(Т

), вытекающая из выражения (2.3), может быть представлена в виде

Из выражения (2.4) следует, что отношение сроков службы изоляции при разных температурах T1

и
Т2
будет выражено следующими уравнениями:

=
ln 2/a —
повышение температуры, вызывающее сокраще­ние срока службы изоляции при термическом старении в два раза.

Значение ΔT

в среднем составляет примерно 10°С. Поэтому при ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в два раза.

Для того чтобы ограничить скорость теплового старения и обеспечить необходимую долговечность изоляции, устанавливают предельные допустимые температуры Tpaб.доп

, а изоляционные конструкции выполняются таким образом, что в номинальном режиме работы температура в наиболее нагретой точке изоляции не превышает допустимую.

Нормы нагрева устанавливаются для отдельных видов электро­технического оборудования с учетом специфических условий работы.

3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции

Механизм теплового пробоя можно пояснить на простейшем примере, приняв условно, что температура Θ во всех точках изоляции одинакова. При воздействии на изоляцию переменного напряжения Uколичество тепла Qв, выделяющегося в единицу времени за счет диэлектрических потерь, а также количество тепла Qотв, отводимого от изоляции в окружающую среду, определяются выражениями:

Qв = wCU2 tg d

Qотв = Sk(Q — Qокр), (2.8)

гдеС — емкость изоляции; tg δ

— тангенсугла диэлектрических потерь; S — поверхность изоляции, от которой отводится тепло в окружающую среду; k — коэффициент теплоотдачи; Θокр — тем­пература окружающей среды, Θ — температура изоляции.

У большинства изоляционных материалов диэлектрические потери и, следовательно, величина tg δ

с ростом температуры увеличиваются. Зависимость
tg δ
от температуры Θ приближенно соответствует выражению

где Θо- температура, при которой tg δ = tg δо

В этом случае Qв и Qотв зависят от температуры изоляции, как показано на рис. 2.3, на котором кривые Qв построены для нескольких значений напряжения. При напряжениях U1 и U2 достигается равенство Qв = Qотв, т.е. возможны устойчивые режимы нагрева изоляции с температурами Θ1 и Θ2 соответственно.

Рис. 2.3. К механизму теплового пробоя

Наибольшее значение напряжения, при котором еще может соблюдаться условие Qв = Qотв, равно U3 (кривые Qв и Qотв касаются при Θ = Θ3). Однако уже в этом предельном случае тепловой режим изоляции оказывается неустойчивым. При случайном повышении температуры или напряжения количество выделяющегося тепла будет постоянно превышать количество тепла отводимого и температура изоляции Θ станет неограниченно возрастать. Таким образом, при U ≥U3 термическое равновесие изоляции нарушается, температура беспредельно увеличивается и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических качеств. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Из графиков на рис. 2.3 следует, что нарушение термического равновесия изоляции наступает, если Qв ≥ Qотв и

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.

Для изоляционных конструкций, работающих в напряженных тепловых режимах, для которых опасность теплового пробоя особенно велика (вводы, силовые кабели и конденсаторы), созданы инженерные методики расчета напряжения теплового пробоя, достаточно полно учитывающие действительные условия нагрева и охлаждения. Однако в этих методикахрассматриваются установившиеся режимы нагрева. В условиях же эксплуатации повышенные напряжения воздействуют на изоляцию ограниченное время, за которое не всегда достигается установившееся состояние нагрева. При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если U

>
U
пр. Поскольку инженерные методы расчета напряжения теплового пробоя в неустановившихся режимах нагрева отсутствуют, способность изоляционной конструкции выдерживать непродолжительные перегрузки проверяется экспериментально.

3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» Tэ. С повышением температуры Tэ и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 2.4. С повышением температуры Tэ растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В в точках 1 и 2. При напряженности внешнего поля Eпр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность Eпр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

С повышением температуры диэлектрика Tо кривая В сдвигается вправо, и напряженность Епр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков. Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т.е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках. При толщине диэлектрика в несколько мирон электрическая прочность Eпр резко возрастает.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большой кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем промежутка. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной.

Рис. 2.4. Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А) и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа Tэ при разных напряженностях поля Е

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.

3.3.4. Ионизационный пробой твердой изоляции

В технической изоляции могут возникать газовые включения. В этих включениях напряженность поля возрастает, электрическая же прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика. Поэтому в газовых включателях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным. Особенности ионизационных процессов можно проследить по схеме замещения изоляции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема замещения изоляции с газовым включением

на переменном напряжении

Емкость газового включения С1 соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С2. Основная масса диэлектрика имеет емкость . Разряд в газовом включении имитирован пробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С1. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение Uo распределяется обратно пропорционально С1 и С2. Синусоидальная кривая напряжения на емкости С1 показана на рис. 2.6 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно Uпр. В точке А происходит пробой ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения. Но вследствие малого значения емкости С2 ток в ИП также мал, и искра, не переходя в дуговой разряд, сразу же гаснет. Начинается восстановление напряжения на емкости С1 по кривой, эквидистантной пунктирной синусоиде.

Как только напряжение на ИП достигает Uпр, вновь происходит его пробой, гашение искры, восстановление напряжения и т.д. Кривая напряжения на С1 приобретает форму, показанную на рис. 2.6 сплошной линией.

Рис. 2.6. Кривая напряжения на емкости С1 (газовом включении):

1 — при отсутствии пробоя ИП; 2 – при пробое ИП

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд DQ = C1Uпр. Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С, равным

где Сo – общая емкость диэлектрика, приближенно равная C + C2.

Так как величины C1 и С2 неизвестны, для характеристики процесса следует ввести величину кажущейся интенсивности ионизации.

Используя эту величину из формулы (2.11), получено уравнение

Измеряя DUо

, можно определить и значение
DQо
. Серия разрядов в воздушном включении повторяется каждые полпериода. Следовательно, число их пропорционально частоте приложенного напряжения. С увеличением амплитуды приложенного напряжения число разрядов за полупериод возрастает.

Развитие процесса будет протекать следующим образом. Нейтрализация заряда DQ связана с рассеиванием энергии , переходящей в тепло. В твердой синтетической изоляции, например, полиэтилене или полистироле, возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно возникает канал, по мере удлинения которого рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в канале часто образуются вещества типа смолы; зачастую при этом канал обуглероживается и становится проводящим. В этих случаях разряды прекращаются, но возникает новая электрическая или тепловая формы пробоя.

Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей.

Ионизационный пробой обычно начинается в местах с наиболее высокой напряженностью поля. Особенно опасны тангенциальные составляющие поля вдоль слоев бумаги. Поэтому в изоляционных конструкциях стремятся избежать высоких тангенциальных составляющих.

Ионизационный пробой (ИОП) развивается во времени очень медленно. Поэтому наличие газовых включений практически не сказывается на прочности изоляции при импульсных воздействиях. Однако каждый импульс высокой амплитуды вызывает разряд в газовых включениях и составляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ИОП ярко выражен кумулятивный эффект. Электрическая прочность существенно понижается при большом числе импульсных воздействий. Характеристикой изоляции в отношении ионизационных явлений служит напряжение ионизации, т.е. такое приложение напряжения рабочей частоты, при которой в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем. Различают следующие ионизационные характеристики изоляции:

— критическое напряжение ионизации. Uкр.и – напряжение, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ИОП изоляции за относительно короткий срок;

— начальное напряжение ионизации. Uн.и – наименьшее напряжение, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.

Испытательное напряжение изоляции не должно превышать критического напряжения ионизации; рабочее напряжение не должно превышать начального напряжения ионизации. Исключение могут составлять только локальные участки вблизи электродов с острыми краями, например на краях конденсаторных обкладок, где напряженность поля очень высока и начальная напряженность Uн.и ниже Uраб.

В бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции повышение напряжения достигается тщательной очисткой масла, пропиткой твердой волокнистой изоляции, применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона, дерева и пр.), применением литых изделий из целлюлозы или пластмасс.

Изложенные выше особенности ионизационного пробоя относились к переменному напряжению или повторным импульсам. При постоянном напряжении ионизационные процессы в газовых включениях протекают иначе. Распределение постоянного напряжения по элементам изоляции происходит в соответствии с проводимостями этих элементов. Схема замещения изоляции с газовыми включениями приведена на рис. 2.7. В этой схеме R1 и R2 — сопротивления изоляции газового включения и последовательно включенного участка здоровой изоляции, а R — сопротивление остальной массы изоляции.

Рис. 2.7. Схема замещения изоляции с газовым включением на постоянном напряжении

В момент пробоя ИП напряжение на емкости С2 (емкости газового включения) уменьшается до нуля, затем гаснет. Восстановление напряжения на С2 происходит с постоянной времени T = RэCэ, где Rэ= R1||R2; Cэ= С1||С2. Вследствие высоких значений Rэ, Т измеряется секундами или даже минутами. Поэтому повторные пробои газовых включений происходят редко. По этой причине на постоянное напряжение изоляционные конструкции допускают значительно большие рабочие напряженности поля, чем на переменное напряжение.

Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций — Пробой в воздухе и вдоль поверхности при высокой частоте

Отсутствие частичных разрядов (ЧР, ПЧР), а также пробоев в воздухе и вдоль поверхности на высокой частоте, по сравнению с их отсутствием на промышленной частоте, является более важным для изоляционных конструкций. Возникновение ЧР приводит к образованию радиопомех, а также к перерастанию ЧР в крайне опасную для аппаратуры факельную форму разряда.
Напряжение образования ПЧР в удобной для аналитического определения форме можно вычислить по формуле

Рис. 3.5. Зависимость напряжения пробоя от расстояния между электродами шар—плоскость (кривые 1.. .3) и гиперболоид—плоскость (кривые 4 и 5) на частоте 50 и 1000 кГц
1— r= 1,4 мм; 2 — r=3 мм; 3 — r=5,5 мм; 4 — r=2 мм; 5 — r= 10 мм
где I — расстояние между электродами; r0— наименьший радиус кривизны электродов; kH — коэффициент неравномерности электрического поля; с — коэффициент, зависящий от формы импульса напряжения и коэффициента неравномерности электрического поля; δ — относительная плотность воздуха.
Необходимость исследования пробоя в воздухе на высоких частотах, помимо общеизвестных причин, возникает для конструкций с твердой изоляцией в случае применения некороностойких полимерных материалов (ПЭ, ПП, Ф-4 и др ) с целью создания системы изоляции, гарантирующей отсутствие пробоя вдоль поверхности тела изолятора.
С повышением частоты наблюдается снижение разрядных напряжений по сравнению с постоянным напряжением и напряжениями промышленной частоты.
Из рис. 3.5 виден характер изменения напряжения с ростом межэлектродного расстояния и изменением радиусов кривизны электродов.
Зависимость напряжения пробоя от частоты для указанных электродов четко выявляется только у кривых 1 и 2, где напряжение на частоте 50 кГц примерно на 6% больше, чем на частоте 1000 кГц. На других разрядных промежутках различие составляет 1 . 2% и четко фиксироваться не может. Это снижение связано с накоплением объемного заряда положительных ионов в разрядном промежутке, который искажает электрическое поле и увеличивает его в активной области около катода.
Работами группы А. А. Жукова [18] найдено, что образование на высоких частотах токов отрицательных и положительных ионов при низких значениях напряжения свидетельствует о начале формирования объемного заряда до значений предпробойных напряжений и только перед пробоем начинается его быстрый рост. При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05. 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 . 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф> 0·
Таблица 3.5

В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7 . 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05. 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 . 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф > 0.
Таблица 3.5

В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7. 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

Для практических целей можно воспользоваться значениями разрядных напряжений в нормальных условиях для коэффициента неравномерности электрического поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблица 3.6

Для слабо неравномерных электрических полей имеет место монотонное уменьшение разрядного напряжения с ростом частоты.
Таблица 3.7

Коэффициенты неравномерности электрического поля и напряженности образования ЧР можно определить из уравнений, приведенных в табл. 3.7, где I — расстояние между электродами;

r — радиус кривизны; р = r/l; δ — относительная плотность воздуха.
Для экспериментальных данных разрядных напряжений между электродами шар—шар, шар—плоскость, гиперболоид вращения — гиперболоид вращения, гиперболоид вращения — плоскость и для коаксиальных систем были определены с использованием программы AXIAL значения максимальных напряжений, которые сравнивались со значениями, определенными по Бенингу [19] для частот до 20 МГц.
Таблица 3.8
Разрядные характеристики для электродов шар — шар (амплитудные значения)

Характеристики, приведенные в табл. 3.8. 3.10, могут быть использованы для приближенных расчетов значений k и l конструкций с близкими геометриями.
Рассчитанные по табл. 3.7 значения kн для межэлектродных расстояний 5. 20 мм соответственно равны 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.

Таблица 3.9
Разрядные характеристики для электродов шар — плоскость при r0 = 10 мм
(амплитудные значения)

Анализируя экспериментальные значения пробоя воздушных промежутков шар—шар радиусом 10 мм (табл. 3.8), можно наблюдать, что при одинаковой форме электродов с ростом изоляционного промежутка, помимо известного снижения Еср, существенно возрастает значение Еmах.
Значения величин Emаx, рассчитанных по Бенингу и по Пику, имеют значительные расхождения. Разница значений увеличивается с ростом расстояния между электродами, что характерно и для электродов шар—плоскость (табл. 3-9).
Таблица 3.10
Разрядные характеристики для электродов шар — плоскость при r= 3 мм и f= 5-103..1-106 Гц (амплитудные значения)

Величины Етax, определенные по программе AXIAL и по Бенингу, практически не различаются и могут быть использованы для определения изоляционных промежутков и выбора геометрии электродов.

Сравнение табл. 3.8 и 3.9 показывает, что при одинаковых радиусах кривизны шаров и расстояниях между электродами большие значения напряжений пробоя имеют место для электродов шар—шар, что, очевидно, вызвано более равномерным электрическим полем и, следовательно, более равномерным распределением заряда вдоль поверхности электрода. Из сравнения также видно, что при расстояниях более 15 мм большие значения Етах не свидетельствуют о большем значении напряжения пробоя. Поэтому предварительный выбор формы и размеров изоляционных промежутков целесообразно производить не по значению Етах, а по к. Значения Етах не являются абсолютным критерием для выбора системы изоляции, в то время как уменьшение k всегда обеспечивает существенные преимущества по сравнению с неравномерными полями.
Для электродов шар—плоскость радиусом 3 мм (табл. 3.10) напряжения пробоя для диапазона частот 5 103. 106 Гц близки по своим значениям.
Значения Етах в 1,5 раза выше, чем напряженность для электродов типа шара радиусом 10 мм, но напряженность пробоя меньше в 1,5. 2 раза. Следовательно, при равных межэлектродных промежутках значении для шара радиусом 3 мм почти в 2 раза превосходят k для шара радиусом 10 мм. Это является дополнительным свидетельством универсальности выбора геометрии поля с учетом коэффициента kH.
Разрядные характеристики (амплитудные значения) для различных расстояний между гиперболоидами вращения и r0= 10 мм приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11

Таблица 3.12

Таблица 3.13

Для электродов гиперболоид вращения — плоскость и гиперболоид — гиперболоид (табл. 3.11) с радиусами кривизны 10мм характерно снижение значений Еср и Етах с увеличением расстояния между электродами и соответственно с ростом kH. Более высокие значения Uпр, а соответственно и Етах, Еср, при равных радиусах кривизны и расстояниях между электродами имеют место для электродов гиперболоид — гиперболоид.
Исходя из данных, приведенных в табл. 3.8. 3.11, следует, что при выборе высокочастотных изоляционных промежутков с электродами равного радиуса кривизны целесообразно применять их в следующем порядке: гиперболоид—гиперболоид, шар—шар, шар—плоскость, гиперболоид—плоскость, которые обеспечивают большую электрическую прочность при прочих равных условиях.
При выборе тех же изоляционных промежутков, исходя из напряжения образования ЧР, преимущества будут снижаться для электродов шар—плоскость, шар—шар, гиперболоид—гиперболоид, гиперболоид — плоскость.
Разрядные характеристики для коаксиальной системы с наружным диаметром 40 мм приведены в табл. 3.12.
Как видно из табл. 3.12, для коаксиальной системы характерны те же зависимости, что и для других элементов — рост напряжения пробоя с уменьшением kH и снижение его с повышением частоты.
Разрядные характеристики коаксиальной системы для различных значений внутреннего и внешнего радиусов кривизны на частоте 100 кГц (амплитудные значения) приведены в табл. 3.13.
Данные табл. 3.13 свидетельствуют о том, что с увеличением радиуса внешнего электрода при неизменном значении радиуса кривизны внутреннего, т. е. С ростом межэлектродного расстояния, возрастают напряжение разряда и максимальная напряженность электрического поля. При постоянном расстоянии между электродами и росте радиусов внутреннего и внешнего электродов, т. е. с уменьшением коэффициента неравномерности электрического поля, имеют место увеличение разрядного напряжения и уменьшение значения максимальной напряженности.
Факельный, или одноэлектродный, разряд является разновидностью высокочастотного разряда и возникает при частотах в несколько мегагерц «а участках электрода с максимальной напряженностью и максимальными градиентами температурного поля. Ионизация и повышение температуры воздуха в этих участках приводит к появлению столба ионизированного воздуха, который подымается, принимая форму факела. Образовавшийся факел (табл. 3.14) передвигается вместе с движением воздуха, разрушая изоляцию и другие элементы конструкции, так как его температура превышает 2000° С.
Попадая в область пониженной напряженности электрического поля, факел гаснет.

Наравне с влиянием на факельный разряд температуры ионизированного воздуха, на пороговое напряжение и критическую частоту могут влиять теплопроводность проводника, площадь его поверхности охлаждения, климатические факторы (влажность, запыленность).
Создание условий, исключающих создание на изоляционной конструкции факельного разряда, встречает трудности вследствие влияния на его образование случайных факторов, приводящих к возникновению локальных напряженностей или температурных излучений, скоплению пыли или влаги, образованию коротких замыканий или чрезмерных перенапряжений, например, при коммутациях. Наблюдались случаи образования факельного разряда при появлении насекомых на высокочастотных проводах.
Наличие факельного разряда недопустимо из-за опасности перегорания проводов, значительных потерь энергии и снижения формы передаваемого сигнала.

Снижение напряжения пробоя вдоль поверхности изоляции до 20. 25% с ростом частоты для конструкций со слабо неравномерным полем наблюдается уже при 10. 20 кГц. Более раннее, по сравнению с пробоем воздушных промежутков, достижение первой критической частоты можно объяснить повышением напряженности электрического поля на границе диэлектрика, присутствием макро- и микронеоднородностей на поверхности вследствие недостаточной чистоты обработки поверхности диэлектрика, оседания пыли, влаги и т. п. Уменьшение напряжения поверхностного, по сравнению с воздушным, разряда обусловлено также ростом емкостных токов и процессом объемной ионизации воздуха с увеличением диэлектрической проницаемости твердой изоляции. Отсюда вытекают особые требования к снижению емкости, предъявляемые к высокочастотным изоляционным конструкциям — снижению площади арматуры, увеличению изоляционного промежутка, снижению диэлектрической проницаемости материала и др.
Проведенные группой А. А. Жукова испытания цилиндрических образцов из миполона, фторопласта-4 и стеатита марки Б-17, помещенных между электродами Роговского в диапазоне 1-5 МГц, показали:

1. по сравнению с аналогичным воздушным промежутком, имеющим пробой при напряжении 9,4 кВ, напряжение пробоя вдоль поверхности миполона составило 8,5 кВ, для Ф-4 — составило 8,75 кВ, а для Б-17 — снизилось до 5 кВ;
2. в отличие от пробоя в воздухе после пробоя вдоль поверхности при отсутствии высокочастотного напряжения наблюдается медленное (до 5 мин) спадание токов положительных и отрицательных ионов.

Предполагается, что причина этих явлений — накапливающийся на поверхности диэлектрика заряд. Поверхностный пробой происходит при наличии переменного высокочастотного поля и постоянной составляющей объемного заряда, не учитываемого измерительной аппаратурой.

Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции

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.

Тепловое разложение (деструкция) бумаги в присутствии влаги и воздуха (кислорода) ускоряется. В случае, когда бумага пропитана минеральным маслом, скорость старения уменьшается, так как ограничивается доступ воздуха к бумаге. Однако в некоторых случаях этот эффект снижается вследствие того, что в самом масле образуются продукты, вызывающие разложение целлюлозы (например, органические кислоты, перекиси и др.).

Тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воз­действий практически не меняет ее кратковременной электрической прочности. Однако в реальных условиях эксплуатации одновре­менно с нагревом изоляция подвергается также и воздействию механических усилий. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приводит к механическому повреждению изоляции и уже как следствие к электрическому пробою.

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.

Срок службы изоляции τ_т, при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной, то

где к_хим — величина, характеризующая скорость химических реакций, например количество продуктов, вступающих в реакцию в единицу времени; А — коэффициент пропорциональности.

При прочих равных условиях скорость процесса зависитот температуры Т. Для простейших химических реакций эта зависимость определяется законом Аррениуса, согласно которому

где W_a -энергия активации; R -универсальная газовая постоянная.

Строго говоря, применение закона Аррениуса к сложным реакциям в изоляционных материалах неправомерно. Тем не менее опыт показывает, что выражение (2.2) дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными и в случае процессов, возникающих при тепловом старении изоляции.

На основании выражений (2.1) и (2.2),

где А₁ и В — постоянные.

В относительно узком интервале возможных рабочих температур зависимость τ_т=f(Т), вытекающая из выражения (2.3), может быть представлена в виде

Из выражения (2.4) следует, что отношение сроков службы изоляции при разных температурах T₁ и Т₂ будет выражено следующими уравнениями:

где ΔT = ln 2/a — повышение температуры, вызывающее сокраще­ние срока службы изоляции при термическом старении в два раза.

Значение ΔT в среднем составляет примерно 10°С. Поэтому при ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в два раза.

Для того чтобы ограничить скорость теплового старения и обеспечить необходимую долговечность изоляции, устанавливают предельные допустимые температуры T_paб.доп, а изоляционные конструкции выполняются таким образом, что в номинальном режиме работы температура в наиболее нагретой точке изоляции не превышает допустимую.

Нормы нагрева устанавливаются для отдельных видов электро­технического оборудования с учетом специфических условий работы.

3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции

Механизм теплового пробоя можно пояснить на простейшем примере, приняв условно, что температура Θ во всех точках изоляции одинакова. При воздействии на изоляцию переменного напряжения Uколичество тепла Q_в, выделяющегося в единицу времени за счет диэлектрических потерь, а также количество тепла Q_отв, отводимого от изоляции в окружающую среду, определяются выражениями:

Q_в = wCU 2 tg d, (2.7)

гдеС — емкость изоляции; tg δ — тангенсугла диэлектрических потерь; S — поверхность изоляции, от которой отводится тепло в окружающую среду; k — коэффициент теплоотдачи; Θ_окр — тем­пература окружающей среды, Θ — температура изоляции.

У большинства изоляционных материалов диэлектрические потери и, следовательно, величина tg δ с ростом температуры увеличиваются. Зависимость tg δ от температуры Θ приближенно соответствует выражению

где Θ_о— температура, при которой tg δ = tg δ_о.

В этом случае Q_в и Q_отв зависят от температуры изоляции, как показано на рис. 2.3, на котором кривые Q_в построены для нескольких значений напряжения. При напряжениях U₁ и U₂ достигается равенство Q_в = Q_отв, т.е. возможны устойчивые режимы нагрева изоляции с температурами Θ₁ и Θ₂ соответственно.

Рис. 2.3. К механизму теплового пробоя

Наибольшее значение напряжения, при котором еще может соблюдаться условие Q_в = Q_отв, равно U₃ (кривые Q_в и Q_отв касаются при Θ = Θ₃). Однако уже в этом предельном случае тепловой режим изоляции оказывается неустойчивым. При случайном повышении температуры или напряжения количество выделяющегося тепла будет постоянно превышать количество тепла отводимого и температура изоляции Θ станет неограниченно возрастать. Таким образом, при U ≥U₃ термическое равновесие изоляции нарушается, температура беспредельно увеличивается и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических качеств. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Из графиков на рис. 2.3 следует, что нарушение термического равновесия изоляции наступает, если Q_в ≥ Q_отв и

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.

Для изоляционных конструкций, работающих в напряженных тепловых режимах, для которых опасность теплового пробоя особенно велика (вводы, силовые кабели и конденсаторы), созданы инженерные методики расчета напряжения теплового пробоя, достаточно полно учитывающие действительные условия нагрева и охлаждения. Однако в этих методикахрассматриваются установившиеся режимы нагрева. В условиях же эксплуатации повышенные напряжения воздействуют на изоляцию ограниченное время, за которое не всегда достигается установившееся состояние нагрева. При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если U > U_пр. Поскольку инженерные методы расчета напряжения теплового пробоя в неустановившихся режимах нагрева отсутствуют, способность изоляционной конструкции выдерживать непродолжительные перегрузки проверяется экспериментально.

3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» T_э. С повышением температуры T_э и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 2.4. С повышением температуры T_э растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В в точках 1 и 2. При напряженности внешнего поля E_пр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность E_пр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

С повышением температуры диэлектрика T_о кривая В сдвигается вправо, и напряженность Е_пр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков. Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т.е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках. При толщине диэлектрика в несколько мирон электрическая прочность E_пр резко возрастает.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большой кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем промежутка. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной.

Рис. 2.4. Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А) и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа T_э при разных напряженностях поля Е

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.

3.3.4. Ионизационный пробой твердой изоляции

В технической изоляции могут возникать газовые включения. В этих включениях напряженность поля возрастает, электрическая же прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика. Поэтому в газовых включателях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным. Особенности ионизационных процессов можно проследить по схеме замещения изоляции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема замещения изоляции с газовым включением

на переменном напряжении

Емкость газового включения С₁ соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С₂. Основная масса диэлектрика имеет емкость . Разряд в газовом включении имитирован пробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С₁. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение U_o распределяется обратно пропорционально С₁ и С₂. Синусоидальная кривая напряжения на емкости С₁ показана на рис. 2.6 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно U_пр. В точке А происходит пробой ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения. Но вследствие малого значения емкости С₂ ток в ИП также мал, и искра, не переходя в дуговой разряд, сразу же гаснет. Начинается восстановление напряжения на емкости С₁ по кривой, эквидистантной пунктирной синусоиде.

Как только напряжение на ИП достигает U_пр, вновь происходит его пробой, гашение искры, восстановление напряжения и т.д. Кривая напряжения на С₁ приобретает форму, показанную на рис. 2.6 сплошной линией.

Рис. 2.6. Кривая напряжения на емкости С₁ (газовом включении):

1 — при отсутствии пробоя ИП; 2 – при пробое ИП

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд DQ = C₁U_пр. Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С, равным

где С_o – общая емкость диэлектрика, приближенно равная C + C₂.

Так как величины C₁ и С₂ неизвестны, для характеристики процесса следует ввести величину кажущейся интенсивности ионизации.

Используя эту величину из формулы (2.11), получено уравнение

Измеряя DU_о, можно определить и значение DQ_о. Серия разрядов в воздушном включении повторяется каждые полпериода. Следовательно, число их пропорционально частоте приложенного напряжения. С увеличением амплитуды приложенного напряжения число разрядов за полупериод возрастает.

Развитие процесса будет протекать следующим образом. Нейтрализация заряда DQ связана с рассеиванием энергии , переходящей в тепло. В твердой синтетической изоляции, например, полиэтилене или полистироле, возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно возникает канал, по мере удлинения которого рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в канале часто образуются вещества типа смолы; зачастую при этом канал обуглероживается и становится проводящим. В этих случаях разряды прекращаются, но возникает новая электрическая или тепловая формы пробоя.

Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей.

Ионизационный пробой обычно начинается в местах с наиболее высокой напряженностью поля. Особенно опасны тангенциальные составляющие поля вдоль слоев бумаги. Поэтому в изоляционных конструкциях стремятся избежать высоких тангенциальных составляющих.

Ионизационный пробой (ИОП) развивается во времени очень медленно. Поэтому наличие газовых включений практически не сказывается на прочности изоляции при импульсных воздействиях. Однако каждый импульс высокой амплитуды вызывает разряд в газовых включениях и составляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ИОП ярко выражен кумулятивный эффект. Электрическая прочность существенно понижается при большом числе импульсных воздействий. Характеристикой изоляции в отношении ионизационных явлений служит напряжение ионизации, т.е. такое приложение напряжения рабочей частоты, при которой в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем. Различают следующие ионизационные характеристики изоляции:

— критическое напряжение ионизации. U_кр.и – напряжение, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ИОП изоляции за относительно короткий срок;

— начальное напряжение ионизации. U_н.и – наименьшее напряжение, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.

Испытательное напряжение изоляции не должно превышать критического напряжения ионизации; рабочее напряжение не должно превышать начального напряжения ионизации. Исключение могут составлять только локальные участки вблизи электродов с острыми краями, например на краях конденсаторных обкладок, где напряженность поля очень высока и начальная напряженность U_н.и ниже U_раб.

В бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции повышение напряжения достигается тщательной очисткой масла, пропиткой твердой волокнистой изоляции, применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона, дерева и пр.), применением литых изделий из целлюлозы или пластмасс.

Изложенные выше особенности ионизационного пробоя относились к переменному напряжению или повторным импульсам. При постоянном напряжении ионизационные процессы в газовых включениях протекают иначе. Распределение постоянного напряжения по элементам изоляции происходит в соответствии с проводимостями этих элементов. Схема замещения изоляции с газовыми включениями приведена на рис. 2.7. В этой схеме R₁ и R₂ — сопротивления изоляции газового включения и последовательно включенного участка здоровой изоляции, а R — сопротивление остальной массы изоляции.

Рис. 2.7. Схема замещения изоляции с газовым включением на постоянном напряжении

В момент пробоя ИП напряжение на емкости С₂ (емкости газового включения) уменьшается до нуля, затем гаснет. Восстановление напряжения на С₂ происходит с постоянной времени T = R_эC_э, где R_э= R₁||R₂; C_э= С₁||С₂. Вследствие высоких значений R_э, Т измеряется секундами или даже минутами. Поэтому повторные пробои газовых включений происходят редко. По этой причине на постоянное напряжение изоляционные конструкции допускают значительно большие рабочие напряженности поля, чем на переменное напряжение.