Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики, обладая значительно более высокой электрической прочностью (по сравнению с газами), нашли очень широкое применение в качестве высоковольтной изоляции в разнообразных устройствах: трансформаторах, кабелях, передающих линиях, конденсаторах, выключателях, разрядниках и т. д.

По происхождению жидкие диэлектрики бывают природные (нефтяное, касторовое, льняное и др. масла) и синтетические (хлорированные углеводороды и кремнийорганические жидкости).

Наиболее распространены нефтяные изоляционные масла. Для их получения осуществляют перегонку нефти под вакуумом и производят очистку. В зависимости от качества получают трансформаторное, кабельное или конденсаторное изоляционные масла. Конденсаторное масло – самое чистое, а трансформаторное имеет наибольшее количество примесей.

Электрическая прочность тщательно очищенного масла значительно превосходит прочность газов и приближается к прочности твёрдых диэлектриков. Электрическая прочность технически чистых масел значительно ниже и зависит, прежде всего, от концентрации и вида примесей, играющих важную роль в процессах пробоя. За счет содержащегося в масле газа и в результате испарения масла при нагреве его разрядом, образуются газовые пузырьки, способствующие развитию разряда. При дальнейшем повышении напряжения возникновение искр учащается и, наконец, наступает устойчивый пробой при достаточно большой мощности источника в виде дуги.

В неоднородных полях вначале возникает стримерная корона. При повышении напряжения стримеры удлиняются и начинают перекрывать промежуток между электродами. Затем возникает устойчивый пробой. В технически чистом масле, как и в газах, разрядные напряжения уменьшаются с увеличением степени неоднородности электрического поля между электродами.

При временах разряда до 1000 мкс, то есть при воздействии импульсов напряжения, пробой масла является чисто электрическим.

При больших временах на электрическую прочность и характер развития пробоя существенное влияние оказывают увлажнение и загрязнение масла. Влага может находиться в масле в трёх состояниях: в растворенном виде; в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны водяные шарики диаметром 2-10 мкм); в виде отстоя на дне резервуара.

Влага в виде молекулярного раствора на электрическую прочность масла практически не влияет.

Повышение концентрации влаги сверх растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии, т.е. мельчайших капелек воды диаметром 0,01÷0,1 мкм. Появление эмульгированной влаги вызывает резкое снижение пробивного напряжения. Влияние эмульгированной влаги объясняется тем, что капельки воды под действием электрического поля втягиваются в области более высокой напряженности. При этом они ещё и деформируются, вытягиваясь вдоль силовых линий. При некотором напряжении, зависящем от концентрации влаги, происходит слияние отдельных капель и образование тончайших водяных каналов. В результате электрическое поле сильно искажается, поскольку диэлектрическая проницаемость воды как полярной жидкости много больше, чем масла. Напряженность в масле между группами деформированных и слипшихся капель возрастает, и электрическая прочность масла снижается.

Особенно сильное снижение электрической прочности имеет место при увлажнении масла, загрязненного волокнами. Из-за большой гигроскопичности волокна интенсивно адсорбируют влагу, что приводит к увеличению их диэлектрической проницаемости. Поэтому процессы втягивания волокон в область сильного поля и образования «мостиков» идут активнее.

Зависимость пробивной напряженности трансформаторного масла

от содержания влаги (рис. 1.12) (миллионные доли влаги в единице объема масла) показывает, что наличие 40–50 миллионных долей влаги уменьшает электрическую прочность масла примерно в 10 раз.

Снижение электрической прочности в области малых концентраций вызвано влиянием растворенной влаги, а в области больших концентраций – эмульгированной влаги.

Рис. 1.12. Зависимость электрической прочности трансформаторного

масла от содержания влаги, (грамм/тонна):

I – зона растворимости влаги, II – эмульгированная влага

Общее количество воды, которое может находиться в масле в молекулярно-растворенном и эмульсионном виде, ограничено. При содержании воды более 0,02 % влага выпадает в виде отстоя на дно. Хотя сам отстой и не влияет на электрическую прочность, его появление свидетельствует о существенном ухудшении изоляционных свойств масел. Особенно резкое уменьшение разрядных напряжений происходит при наличии в масле гигроскопических загрязнений в виде волокон бумаги, картона, пряжи, значительно облегчающих образование проводящих мостиков. Эти загрязнения проникают в масло в процессе эксплуатации из элементов твердой изоляции, находящихся в масле.

Пробивное напряжение как технических, так и очищенных жидких диэлектриков при промышленной частоте 50 Гц сильно зависит от давления. Это связано с наличием и образованием в жидкости при высоком напряжении пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя. А электрическая прочность газа сильно зависит от давления (закон Пашена). При пониженных давлениях из масла начинают выделяться растворенные в нем газы и его прочность резко падает. При давлениях выше атмосферного электрическая прочность масла увеличивается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков существенно зави-сит от длительности приложения напряжения τ. Чем больше примесей в жидкости (особенно влаги и волокон), тем сильнее эта зависимость (рис. 1.13).