2020-04-07
257
Суть теплового пробоя изоляции можно представить в виде рис. 1.17, где Q 1 – тепло, выделенное в изоляции за счет джоулевых и диэлектрических потерь, Q 2 – тепло, отводимое от изоляции в окружающую среду.
Выделенное тепло определяется как:
Q1 = ω C tg δ U2, (1.28)
а отводимое тепло – как:
Q2 = k S (T–T0), (1.29)
где ω – угловая частота; С – емкость изделии; tg δ – диэлектрические потери в изоляции; k – коэффициент теплопередачи; S – площадь поверхности изоляции; Т 0 – температура окружающей среды; Т – температура внутри диэлектрика.
Изменение приложенного напряжения к изоляции приводит к изменению потерь в ней. На рис. 1.17 Q 1(U 1), Q 1(U 2), Q 1(U 3) – тепло, выделенное при U 1 < U 2 < U 3, а Q 2 – тепло, отведенное от изоляции.
Рис. 1.17. Изменение выделенного Q 1 и отводимого Q 2 тепла
в изоляции при разных U
Для U 1 при T 1 + Δ T − Q 2 > Q 1 – нет нагрева.
Для U 2 при T 2 + Δ T − Q 2 < Q 1 – тепловой пробой.
Для U 3 – всегда тепловой пробой.
Т 2 – точка теплового равновесия. Рабочая температура Т раб < T 2.
Частичные разряды
Понятие частичного разряда (ЧР) в изоляции охватывает местный разряд на поверхности или внутри изоляции в виде короны, скользящий разряд или пробой отдельных элементов изоляции шунтирующий часть изоляции между электродами находящимися под разными потенциалами.
Частичные разряды в изоляции возникают в местах с пониженной электрической прочностью (например, в прослойках пропитывающей жидкости или в газовых включениях в толще диэлектрика), или вследствие образовавшихся во время эксплуатации вследствие чрезмерно высоких механических воздействий (трещины, расслоения), местных нагревов (термическое разложение изоляции с выделением газов) и по другим причинам.
Газовые включения, как правило, имеют малые размеры (доли мм), тем не менее они представляют собой ослабленные участки внутренней изоляции. Из-за различия диэлектрических проницаемостей газа во включении и основных диэлектрических материалов напряженность во включении выше, чем в изоляции (обычно в 2-4 раза). Вместе с тем электрическая прочность газов ниже, чем жидких и твердых диэлектриков. Поэтому при постепенном повышении напряжения на изоляции разрядные процессы, т.е. ЧР, начинаются именно в газовых включениях. Эти разряды не приводят к немедленному полному пробою всей изоляции, т.к. диэлектрические материалы, составляющие внутреннюю изоляцию, имеют значительно более высокую электрическую прочность, чем газ во включении. Однако ЧР многократно воздействуя на диэлектрические материалы, постепенно разрушают их, вызывая так называемое «электрическое старение» изоляции, которое завершается полным пробоем лишь спустя некоторое время. Это время зависит от интенсивности ЧР (энергии отдельных разрядов, частоты их повторения), от стойкости диэлектрических материалов к воздействию ЧР, а также от конструктивных особенностей изоляции (толщины, конфигурации электрического поля и пр.). При неблагоприятных условиях оно исчисляется секундами или минутами; по мере уменьшения интенсивности ЧР продолжительность процесса старения увеличивается постепенно до многих часов и далее до нескольких десятков лет.
В некоторых видах внутренней изоляции (бумажно-масляной, масло-барьерной) ЧР при рабочем напряжении могут иметь место, однако их интенсивность не должна превышать допустимые уровни, которые устанавливаются с учетом требований к срокам службы и стойкости материалов к воздействию разрядов.
При изготовлении внутренней изоляции оборудования высокого напряжения принимаются специальные меры, чтобы исключить образование газовых включений или ограничить их число и размеры. Для этого, в частности, используют дегазацию под вакуумом и пропитку изоляции маловязкими составами. Готовые изоляционные конструкции подвергают испытаниям с изменением характеристик ЧР
При рассмотрении механизма возникновения ЧР воспользуемся эквивалентной схемой замещения диэлектрика с общей емкостью С Э (рис. 1.18):
. (1.30)
Рис. 1.18. Схема замещения твердого диэлектрика:
С 0 – емкость бездефектной изоляции; С в – емкость воздушного
включения; С д – емкость диэлектрика последовательно с включением;
U в – напряжение пробоя воздушного включения
ЧР возникают тогда, когда напряжение на включении достигает пробивного значения U пр – напряжения зажигания разряда во включении. Напряженность электрического поля во включении Е В связана с напряженностью в остальной части диэлектрика:
, (1.31)
где E д – напряженность электрического поля в диэлектрике; εд – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; εв – относительная диэлектрическая проницаемость включения.
Исходя из выражения (1.31), напряженность электрического поля в газовом включении (и в любом другом, где εв < εд) всегда выше, чем в остальном диэлектрике.
При размерах включения десятки микрометров и давлении, близком к атмосферному, пробивное напряжение лежит вблизи минимума кривой Пашена, слабо изменяется с изменением размеров включения и составляет 250…300 В. Наибольшую опасность ЧР представляют на переменном или импульсном напряжении.
Разрушающее действие ЧР на диэлектрики обусловлено следующими факторами, возникающими при пробое включения:
1 – воздействием ударных волн;
2 – тепловым воздействием;
3 – бомбардировкой заряженными частицами;
4 – воздействием химически активными продуктами разряда (озон,
окислы азота);
5 – воздействием излучения;
6 – развитием древовидных побегов-дендритов.
В зависимости от величины заряда q ЧР, измеряемого при ЧР, возможна классификация ЧР по q ЧР:
1. При превышении некоторого порога напряжения в изоляции возникают ЧР с интенсивностью q ЧР =10–12–10–11 Кл. Такие ЧР не вызывают
быстрого разрушения изоляции и во многих случаях могут быть допустимы. Такие разряды называются начальными.
2. Дальнейшее возрастание напряжения или увеличение размеров включений в процессе длительной работы изоляции приводит к резкому
возрастанию интенсивности ЧР, причем прежде всего возрастает q ЧР до величины q ЧР =10–10–10–8 Кл. Их возникновение резко сокращает срок службы изоляции, и они не должны допускаться при рабочих условиях. Такие разряды называются критическими.
На постоянном напряжении интервал между ЧР во включении составляет секунды – десятки секунд, что на несколько порядков больше, чем на переменном напряжении промышленной частоты. Это позволяет увеличить рабочие напряженности электроизоляционных конструкций постоянного напряжения по сравнению с переменным.
Развитие ЧР на импульсном напряжении принципиально не отличается от переменного напряжения. Часто основной причиной пробоя изоляции при многократном воздействии импульсного напряжения являются ЧР.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные виды ионизационных процессов в газах и опишите процессы ионизации газа при соударении, фотоионизации, термической и поверхностной ионизации.
2. Объясните физический смысл явления тока насыщения в газах.
3. Какой разряд в газе называется самостоятельным и несамостоятельным?
4. Нарисуйте вольт-амперную характеристику разряда в газах и поясните ее.
5. Что такое коэффициент импульса? Приведите значения коэффициента импульса для электродов шар-шар и стержень-стержень.
6. Дайте характеристику стандартной и срезанной волны импульса.
7. Назовите составляющие времени полного разряда при импульсах.
8. Как построить опытным путем вольт-секундные характеристики и каково их практическое применение?
9. Объясните роль барьеров при разряде в промежутке стержень – плоскость при положительной и отрицательной полярностях стержня.
10. Каковы характерные признаки и последствия явления короны?
11. Что такое критическое напряжение короны и от каких факторов оно зависит? Проанализируйте зависимость явления короны от радиуса проводов и расстояния между ними.
12. Назовите мероприятия для уменьшения потерь на корону.
13. Перечислите способы борьбы с явлением короны в электрических машинах.
14. Какой разряд называют скользящим и чем вызвано его явление?
15. Опишите механизм разряда в жидких диэлектриках.
16. От каких факторов зависит пробивное напряжение в жидкостях.
17. Опишите основные виды пробоя твердых диэлектриков.
