Пробой газообразных диэлектриков

Г азообразные диэлектрики обладают высокими электроизоляционными свойствами только при низких напряжениях. При высоком напряжении начинается ударная ионизация газов, проводимость газа резко возрастает. Для пробоя газа необходим хотя бы один запальный или возбуждённый электрон. При движении этот электрон сталкивается с молекулой, выбивает из неё электрон, который в последствие тоже становится запальным, а молекула распадается на ионы. Перемещаясь от катода к аноду, эти электроны производят ударную ионизацию, в результате чего возникает первичная электронная лавина. На пути следования лавины образуется канал, состоящий из электронов и положительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается. Иногда электрон, сталкиваясь с молекулой, отдаёт ей энергию, но при этом не происходит ионизации, электрон возвращается в невозбуждённое состояние, а энергия выделяется в виде кванта света. Двигаясь со скоростью света, фотоны производят ионизацию других молекул, обгоняют первичную лавину и образуют вторичную лавину. Этот процесс длится, пока не произойдёт пробой. Отдельные лавины между собой сливаются, образуя сплошной канал. Подвижные электроны, двигаясь к аноду, образуют стример. Область вблизи стримера превращается в высокопроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Стример имеет вид острия, когда он достигает катода, то электропроводящий канал замыкается. На поверхности катода образуются катодное пятно, излучающее электроны, которые, двигаясь к аноду, образуют искровой разряд. Для пробоя газов в однородном поле характерна зависимость электронной плотности от плотности газа.

Также электрическая плотность зависит от температуры, давления (рис.1.25), расстояния между электродами (рис.1.26).

При пробое газа в неоднородном поле возникает частичный заряд в виде короны. Корона возникает в тех местах, где напряжённость поля достигает своего критического значения и начинается ударная ионизация. Происходит неполный пробой газа. Корона переходит в искровой разряд, а затем в дугу. Разряд, происходящий в воздухе у поверхности диэлектрика, называется перекрытием или поверхностным разрядом. Происходит при напряжении меньшим, чем пробивное напряжение самого диэлектрика. На разрядное напряжение влияет частота, форма электродов, давление воздуха, чистота поверхности диэлектрика.

Пробой жидкого диэлектрика

П робивное напряжение жидкости или электрическая прочность зависит от чистоты жидкости, наличия посторонних примесей и газовых включений. В жидкости, содержащей газовые включения, пробой начинается с ионизации газа. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микрообъёмов жидкости, прилегающих к газовым включениям. Объём газовых включений увеличивается, включения сливаются, образуя между электродами мостик, по которому и происходит пробой газа. Электрическая прочность жидкостей, содержащих газовые включения, зависит от давления и температуры (рис.1.27).

Пробой увлажнённой жидкости зависит от содержания воды в жидкости. Вода в жидкости, находящейся в эмульсионном состоянии, образует сферические капельки. Под влиянием электрического поля сферы приобретают форму эллипсоидов, притягивающихся друг к другу разноимёнными концами, и между электродами образуется канал с высокой проводимостью. По этому каналу и происходит пробой жидкости. Этим объясняется уменьшение электрической прочности при увеличении увлажнённости (рис.1.28). Дальнейшее увлаж­нение на прочность масла почти не влияет. Объясняется это тем, что сильно полярные молекулы воды (Е = 82), находящиеся в неполяр­ной масляной среде (Е = 22), способны ориентироваться в направле­нии поля и образовывать цепочки, вытянутые вдоль силовых линий. Пробой влажного масла происходит по этим цепочкам.

Попадание первых капель воды в масло уже приводит к обра­зованию проводящих каналов, т. е. к резкому снижению прочности. Дальнейшее увлажнение заметного влияния на прочность масла не оказывает, так как возрастание количества проводящих каналов не является качественно новой стадией процесса; кроме того, воз­можно оседание влаги на дно сосуда.

В неоднородном электрическом поле влияние влаги выражено слабее, так как капли, концентрируясь в местах повышенной напря­женности, сливаются в более крупные и оседают на дно сосуда. Из-за присутствия влаги в масле его электрическая прочность оказывается зависящей от температуры.

Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры (рис.1.29). Увеличение электрической прочности масла при уменьшении температуры связано с увеличением вязкости масла. При нормальной температуре наличие влаги резко снижает электрическую прочность трансформаторного масла. При повышении температуры происходит переход эмульсии в молекулярный раствор, что ведёт к увеличению прочности масла. Снижение электрической прочности после 80 °С объясняется кипением масляных фракций и разложением отдельных нестойких фракций, а также образованием большого количества пузырьков пара. При дальнейшем повышении температуры происходит вскипание жидкости.

Д ля определения прочности жидких диэлектриков используют специальные ячейки (рис.1.24), выполненные из стекла, фарфора, либо специальных пластмасс, которые не реагируют с испытуемой жидкостью. Электроды выполняют из латуни. Для определения электрической прочности жидкого диэлектрика при постоянном напряжении в цепь высокого напряжения включают высоковольтный диод и конденсатор для сглаживания пульсации тока.

Прави­ла технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) предусматри­вают определенные нормы электрической прочности для чистого и сухого трансформаторного масла, приготовленного для заливки в аппарат, и для масла, находившегося в эксплуатации. Электрическая прочность является одной из основных характеристик масла, которая определяется по пробивному напряжению. Испытания проводятся в стандартном разряднике, представляющем собой два плоских или сферических электрода диаметром 25 мм, расположенных взаимно параллельно в фарфоровой ванночке на расстоя­нии 2,5 мм друг от друга. Для испытаний можно использовать аппараты АИИ-70, АИМ-80 либо другого типа.

Таблица 1

Показатель качества масла и номер стандарта на метод испытания	Категория электрооборудования	Предельно допустимое значение показателя качества масла
		Предназначенного к заливке в электрооборудование	После заливки в электрооборудование
1. Пробивное напряжение по ГОСТ 6581-75, кВ, не менее	Электрооборудование: до 15 кВ включительно до 35 кВ включительно от 60 до 150 кВ включительно от 220 до 500 кВ включительно 750 кВ	30 35 60 65 70	25 30 55 60 65

Для свежего масла пробивное напряжение должно быть не менее 30 кВ. Масло с таким пробивным напряжением может быть залито в ряд трансформаторов без специальной подготовки. Для трансформаторов 35 кВ и выше требования более жесткие.

Снижение пробивного напряжения свидетельствует, как правило, о загрязнении масла водой, воздухом, волокнами и другими примесями. Практически любое повреждение в трансформаторе со временем приводит к снижению пробивного напряжения масла.

Согласно действующим в настоящее время «Нормам испытания электрооборудования» установлены следующие наименьшие значе­ния электрической прочности масла в зависимости от рабочего на­пряжения аппарата, заполненного маслом (табл. 1).