Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения

Характерная для внутренней изоляции зависимость пробивного напряжения от времени t приложения пробивного напряжения показана на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость пробивного напряжения от времени воздействия приложенного к изоляции напряжения t

Сложный вид этой зависимости объясняется тем, что при разных временах t процессы в изоляции, приводящие к пробою, имеют различную физическую природу.

Прежде всего, следует обратить внимание на то, что при любом значении времени t пробивное напряжение - величина случайная, разбросы которой около среднего значения характеризуются коэффициентом вариации, порядка 5-15%. Случайный характер величины объясняется как природой процессов развития пробоя, так и неконтролируемыми случайными различиями между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями.

Зависимость = f (t), показанная на рис. 4, может быть разделена на несколько участков, границы которых указаны ориентировочно.

При малых временах t, т.е. в диапазоне от единиц микросекунд до нескольких миллисекунд, в изоляции возможен так называемый чисто электрический пробой, сущность которого состоит в том, что при некотором напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. Последние в сильном электрическом поле приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул и образования концентрированного потока электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение последнего с образованием проводящего канала. Этот вид пробоя изложен в разделе 2.7.

При временах t более нескольких десятков микросекунд значение напряжения остается практически неизменным, так как время t много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не успевают проявиться.

При t > 10 c для внутренней изоляции, содержащей большие объемы жидкого диэлектрика, может наблюдаться некоторое снижение. Это происходит вследствие того, что с увеличением t сильнее проявляется влияние примесных твердых частиц, неизбежно присутствующих в технически жидких диэлектриках. Такие частицы имеют, как правили, более высокую, чем у жидкости диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечет за собой снижение пробивного напряжения. Под действием электрического поля примесные частицы перемещаются в области повышенных напряженностей. Чем больше время t, тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже пробивное напряжение. При t < 10 с частицы практически не успевают сместиться, и их влияние минимально.

Следующий участок кривой - область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов. Сущность теплового пробоя состоит в следующем.

Под действием приложенного напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, обусловленные наличием у реальной изоляции небольшой проводимости и рассеянием энергии при некоторых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнительный разогрев изоляции.

Мощность диэлектрических потерь в изоляции определяется выражением

(4.1)

где w - круговая частота; С - емкость рассматриваемой изоляции; U - воздействующее напряжение; tgd - тангенс угла диэлектрических потерь, равный отношению активного тока через изоляцию к емкостному току.

Если мощность потерь в изоляции будет превышать мощность отвода тепла, произойдет нарушение теплового баланса изоляции, температура в изоляции будет неограниченно расти до потери изоляцией диэлектрических свойств - произойдет тепловой пробой.

Изложенная упрощенная модель теплового пробоя относится к случаю, когда время приложения напряжения значительно превышает постоянную времени нагрева изоляции.

Последний участок зависимости =f(t) соответствует временам t от нескольких минут или часов до 10 ÷ 15 и более лет. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Эти процессы возникают под действием сильных электрических полей и необратимо ухудшают свойства изоляции.

______________

Вопросы для самоконтроля:

1. Каким воздействиям подвергаются элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации?

2. Каковы требования к диэлектрическим материалам для внутренней изоляции?

3. Какова цель комбинирования диэлектриков во внутренней изоляции?

4. С какой целью осуществляется регулирование электрических полей во внутренней изоляции?

5. Назовите основные виды внутренней изоляции.

6. Каковы исходные материалы и область применения бумажно-пропитанной изоляции?

7. Какова цель пропитки изоляционной бумаги маслом?

8. В чем заключаются достоинства и недостатки маслобарьерной изоляции?

9. Какой диэлектрик является основным в маслобарьерной изоляции?

10. Какими факторами определяется электрическая прочность трансформаторного масла?

11. По каким причинам происходит выделение газов из трансформаторного масла в процессе эксплуатации?

12. Как образуются проводящие мостики в маслобарьерной изоляции?

13. Какие твердые диэлектрические материалы входят в состав маслобарьерной изоляции?

14. В каком электротехническом оборудовании применяется изоляция на основе слюды?

15. Каковы достоинства изоляции на основе слюды?