Старение изоляции под воздействием частичных разрядов

Срок службы изоляции

С увеличением напряжения, приложенного к изоляции любого типа, темпы электрического старения возрастают, а сроки службы соответственно уменьшаются. Зависимость срока службы t от значения воздействующего напряжения U в широком диапазоне значений t может иметь сложный характер. Для области относительно малых средних сроков службы (от единиц часов до 10 -10 ч) экспериментально установлена зависимость следующего вида: (5.7)

где А - постоянная, значение которой зависит от свойств изоляции;

n - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения (рис.5). Например, для бумажно-масляной изоляции с резко неоднородным электрическим полем (конденсаторного типа) при напряжении промышленной частоты n = 4¸8, а при постоянном напряжении n = 9¸12;

для маслобарьерной изоляции со слабо неоднородным электрическим полем n = 50¸80.

Рис. 5. Зависимость среднего срока службы t внутренней изоляции от воздействующего напряжения.

Для области больших сроков службы (более 10 ч) количество экспериментальных данных сравнительно невелико из-за большой стоимости и продолжительности экспериментов. Установлено, что по мере снижения напряжения U сроки службы в области 2 увеличиваются быстрее, чем следует из (5.7), а ниже некоторого напряжения становятся неограниченно длительными. Такому ходу зависимости соответствует выражение

(5.8)

Срок службы изоляционной конструкции любого типа при заданном напряжении является величиной случайной.

Под действием электрического поля старение преимущественно происходит за счет развития в изоляции частичных разрядов (ЧР). В ряде случаев ЧР возникают в газовых включениях в толще изоляции.

Электрическая прочность газовых пузырьков ниже, чем прочность жидкого или твердого диэлектрика, а напряженность электрического поля в газовом пузырьке при переменном напряжении выше, чем в жидком или твердом диэлектрике. В сферическом газовом включении с диэлектрической проницаемостью напряженность электрического поля равна

(5.9)

где - напряженность в окружающем диэлектрике с диэлектрической проницаемостью в отсутствие включения.

При включении в виде плоской щели, расположенной поперек силовых линий поля,

(5.10)

В области высоких напряженностей порядка 10 В/см и выше в твердых и жидких диэлектриках в отсутствие газовых включений может возникнуть микропробой, приводящий к местному разрушению диэлектрика. Подобные процессы в твердых диэлектриках могут приводить к зарождению древовидных каналов (дендритов), развитие которых в последующем происходит за счет ЧР в этих микроканалах, заполненных газом.

Разрушение жидких и твердых диэлектриков частичными разрядами сопровождается выделением газа, состоящего преимущественно из водорода и углеводородных соединений.

При изготовлении внутренней изоляции высоковольтного оборудования обычно принимаются специальные меры против появления газовых включений. Несмотря на это во многих случаях приходится считаться с возможностью их случайного образования на стадии изготовления, например из-за несовершенства процессов сушки и пропитки, или в эксплуатации (появление трещин при механических перегрузках, выделение газов при разложении материалов из-за местных перегревов и т.д.).

В бумажно-масляной и в масло-барьерной изоляции оборудования высших классов напряжения при строгом соблюдении технологии изготовления газовые включения отсутствуют. Однако и в этих видах внутренней изоляции могут развиваться ЧР, но при существенно более высоких напряженностях, чем в изоляции с газовыми включениями.

Экспериментально установлено, что в БПИ возможны ЧР двух видов: начальные и критические.

Начальные ЧР характеризуются зарядами от 10^-14 ÷ 10^-11 Кл. Они развиваются непосредственно в масляных прослойках между электродом и прилегающим слом бумаги у острых кромок или у микронеровностей электродов, т.е. в местах локального усиления электрического поля. С ростом приложенного напряжения средняя мощность НЧР возрастает.

Из-за малой энергии, рассеиваемой в отдельных НЧР, эти разряды не оказывают разрушающего воздействия на бумагу, а вызывают лишь медленное разложение масла с выделением газа и образованием ряда других продуктов. Сущность электрического старения, обусловленного НЧР, состоит в постепенном накоплении в изоляции продуктов разложения масла, приводящих к росту тангенса угла диэлектрических потерь и мощности диэлектрических потерь. Со временем этот процесс приводит к тепловому пробою изоляции. Возможен и другой механизм старения: постепенное повышение в масле концентрации газов, образующихся под действием НЧР. В этом случае старение завершается тогда, когда масло полностью насыщается газом, растворение газов в масле прекращается, и в изоляции образуются газовые включения. В последних возникают мощные критические ЧР, которые быстро разрушают слои бумаги до полного пробоя.

НЧР в БПИ при рабочем напряжении в принципе допустимы, однако их мощность не должна превышать значений, определяемых требуемым сроком службы. В ряде случаев конструкции с БПИ проектируются по условию полного отсутствия НЧР при рабочем напряжении.

КЧР имеют кажущиеся заряды Кл и более. При быстром подъеме напряжения такие разряды возникают, когда мощность НЧР возрастает настолько, что скорость выделения газов из масла становится выше скорости их растворения и в изоляции образуются устойчивые газовые включения. В этих включениях и развиваются КЧР.

КЧР имеют мощность достаточную для относительно быстрого (минуты, часы) разрушения слоев бумаги. Они особенно опасны тем, что их появление даже на очень короткое время, например при перенапряжениях, приводит к образованию в изоляции газовых включений, в которых эти мощные ЧР могут развиваться затем при напряжениях ниже начального, могут сохраниться и при рабочем напряжении и за короткое время разрушить изоляцию до пробоя.

Обязательным условием длительной, надежной работы БПИ является отсутствие КЧР при всех возможных перенапряжениях и при испытательных напряжениях.

В МБИ также могут иметь место НЧР и КЧР. Первые из них имеют кажущиеся заряды не более Кл и возникают непосредственно в масляных зазорах конструкции или в газовых включениях. Такие ЧР, как правило, безопасны для изоляции, так как твердую изоляцию они не повреждают, а продукты разложения масла распределяются по большим объемам.

КЧР с кажущимися зарядами Кл и более представляют собой пробой масляных каналов в конструкции или скользящие разряды по поверхности твердой изоляции. Появление КЧР в МБИ недопустимо, т.к. такие разряды вызывают необратимое снижение длительной электрической прочности изоляции.