8.2. Влияние на внутреннюю изоляцию тепловых, механических и других воздействий

В любой конструкции высокого напряжения внутренняя изоляция подвергается воздействию не только сильных электрических полей, но и ряда других нагрузок, которые в сильной степени, а иногда и решающим образом могут влиять на срок службы изоляции.

К числу важнейших относятся прежде всего тепловые воздействия, которые обусловлены тепловыделением в активных частях оборудования (в проводниках и магнитопроводах), а также диэлектрическими потерями в самой изоляции. Эти воздействия могут значительно ускорять химические процессы в изоляции, которые ведут к постепенному ухудшению ее свойств.

Механические нагрузки разного рода могут возникать за счет массы поддерживаемых изоляцией деталей, вследствие электродинамических усилий при прохождении больших токов, вибрации и по другим причинам. Для внутренней изоляции эти нагрузки опасным тем, что могут явиться причиной появления в твердых материалах микротрещин, в которых потом под действием сильного электрического поля возникнут частичные разряды и ускориться старение изоляции. Таким образом, строгий учет механических нагрузок необходим не только для обеспечения механической прочности конструкции, но и для сохранения ее высокой длительной электрической прочности.

Кроме тепловых и механических нагрузок в некоторых случаях на внутреннюю изоляцию существенное влияние могут оказывать и другие внешние воздействия, например солнечная радиация, микроорганизмы и т.д.

Особая форма внешнего воздействия на внутреннюю изоляцию обусловлена контактами с окружающей средой и возможностью загрязнения изоляции. Наиболее опасной разновидностью загрязнений является увлажнение, которое, как правило, ведет к резкому уменьшению сопротивления утечки, росту диэлектрических потерь, снижению кратковременной и длительной электрической прочности.

Таким образом, общим для внутренней изоляции любого вида, отличающим ее от изоляции внешней, является сильное влияние на ее эксплутационные свойства ряда внешних нагрузок. Потому при разработке внутренней изоляции и при организации эксплуатации оборудования высокого напряжения необходим строгий учет не только электрических, но и всех других возможных внешних воздействий. Трудность этой задачи состоит в том, что процессы, обусловленные разными воздействиями, сложным образом влияют друг на друга.

8.3. Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения.

Характерная для внутренней изоляции зависимость пробивного напряжения U_р от времени приложения напряжения τ показана на рис. 8.2. Сложный вид этой зависимости объясняется тем, что при разных временах τ процессы в изоляции, приводящие к пробою, имеют различную физическую природу.

Прежде всего, однако, следует обратить внимание на то, что при любом значении времени τ пробивное напряжение U_р – величина случайная, разбросы которой характеризуются среднеквадратическим отклонением σ. Случайный характер величины U_р объясняется как природой процессов развития пробоя, так и неконтролируемыми случайными различиями между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями.

Рис. 8.2.. Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени воздействия напряжения.

Зависимость U_р = f (τ) , как следует из рис.8.2., может быть разделена на несколько участков, границы которых указаны ориентировочно. Для отдельных изоляционных конструкций эти границы могут сдвигаться в сторону больших или меньших времен в зависимости от размеров, свойств и условий работы изоляции.

При малых временах τ, 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.

Время, необходимое для образования потока электронов и для продвижения его от одного электрода к другому, зависит от материала и толщины изоляции и лежит обычно в пределах от единиц до десятков микросекунд. В этой области времен напряжение U_р увеличивается при уменьшении τ. Объясняется это следующим образом. Чтобы пробой успел развиться за малое время τ, необходимо увеличить скорость движения электронов, а для этого должны быть повышены напряженность электрического поля в изоляции и, следовательно, приложенное напряжение.

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

При временах τ > 10^-3 c для внутренней изоляции, содержащей большие объемы жидкого диэлектрика, может наблюдаться некоторое снижение U_р . Это происходит вследствие того, что с увеличением τ сильнее проявляется влияние примесных твердых частиц, неизбежно присутствующих в технически чистых диэлектриках. Такие частицы имеют, как правило, более высокую, чем у жидкости, диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечет за собой снижение величины U_р. Под действием электрического поля примесные частицы перемещаются в области повышенных напряженностей. чем больше время τ, тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже пробивное напряжение U_р.

Следующий участок кривой U_р = f (τ ) – область теплого пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов.

Последний участок зависимости U_р = f (τ ) – соответствует временам от нескольких минут или часов до 10–15 лет и более. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Эти процессы возникают под действием электрических полей и вызывают необратимое ухудшение диэлектрических свойств изоляции. Интенсивность процессов старения может быть очень малой, поэтому время, необходимое для постепенного разрушения изоляции до пробоя, может исчисляться годами.

Итак, зависимость U_р = f (τ) для внутренней изоляции имеет сложный вид, конкретный ход ее определяется размерами и свойствами изоляции. Для инженерной практики интерес представляет не вся зависимость, а те ее участки, которые соответствуют реально возможным в эксплуатации электрическим воздействиям. В связи с этим для внутренней изоляции различают:

- кратковременную электрическую прочность при воздействии стандартного грозового импульса;

- кратковременную электрическую прочность при воздействии внутренних перенапряжений (при воздействии коммутационных импульсов нормированной формы или при одноминутном приложении напряжения частоты 50 Гц);

- длительную электрическую прочность, под которой понимается электрическая прочность при непрерывном воздействии рабочего напряжения в течении времени, равного сроку службы конструкции.

Электрическая прочность внутренней изоляции при временах τ должна быть выше возможных в эксплуатации электрических воздействий.

Характерной для любой внутренней изоляции и наиболее сложной является задача обеспечения необходимой длительной электрической прочности, т. е. согласования зависимости U_р = f (τ) со значением рабочего напряжения в области требуемых сроков службы. Сложность состоит в том, что конкретный ход зависимости U_р = f (τ) в области больших времен τ нельзя определить прямыми экспериментами, так как для этого потребовались бы десятилетия.