Рекомендуемая литература

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев В.М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. С.59-65.

2. С.Н. Колесов, И.С. Колесов. Материаловедение и технологии конструкционных материалов М., «Высшая школа», 2004

3. И.М. Чуркин. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. ТГУ, Тольятти, 2011

Измерения электрической прочности трансформаторного масла в зависимости от влажности.

Лабораторная работа № 5 5.1. Цель работы

Целью работы является ознакомление с методикой электрических испытаний жидких диэлектриков, изучение зависимости их электрической прочности от температуры и влажности, а также электрических свойств и физических процессов, протекающих при пробое жидких диэлектриков.

5.2. Некоторые физические особенности пробоя жидких диэлектриков, находящихся в электрическом поле

Под воздействием внешнего электрического поля жидкие диэлектрики пробиваются. Известную теорию электрического пробоя жидких диэлектриков можно применить только к максимально очищенным от примесей жидкостям. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы, твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.

При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как в газах, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде отдельных мелких капелек, находящихся в жидком диэлектрике, при нормальной температуре значительно снижает электрическую прочность. Под влиянием электрического поля сферические капельки воды - сильно дипольной жидкости - поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Из жидких диэлектриков особенно широко применяется трансформаторное масло, которое получают из нефти перегонкой с последующей очисткой его от примесей.

В состав трансформаторного масла входят парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды, а также в незначительном количестве смолистые вещества и некоторые органические кислоты.

Трансформаторное масло применяется как основной диэлектрик в трансформаторах и в различной аппаратуре высокого напряжения. Для трансформаторов масло является охлаждающей, а для масляных выключателей и дугогасящей средой.

Трансформаторное масло как жидкий диэлектрик имеет более высокую электрическую прочность, чем газы, что объясняется ее большей плотностью (примерно в 2000 раз) и значительно меньшим расстоянием между молекулами.

У чистых нейтральных жидкостей пробой носит характер ударной ионизации как у газов, но вследствие значительно меньшей длины свободного пробега ионов для развития процесса ударной ионизации требуется более высокое напряжение.

Электрическая прочность загрязненных жидкостей из-за образования проводящих мостиков в несколько раз ниже, чем чистых. Постоянными примесями жидкостей являются влага, газы и механические примеси, которые значительно осложняют явление пробоя диэлектриков. Для объяснения механизма пробоя загрязненных жидкостей предложено несколько теорий.

Газовая теория объясняет пробой жидкостей наличием газа в ней и на поверхности металлических электродов. Под действием напряженности электрического поля в пузырьках газа происходит ударная ионизация. Образующиеся при этом положительные и отрицательные заряды стремятся приблизиться к противоположно заряженным электродам. Пузырек деформируется, вытягивается в тонкую нить вдоль силовых линий поля и создает газовый(ионизированный) мостик, снижающий электрическую прочность жидкости.

Согласно тепловой теории академика Семенова, в местах сосредоточения примесей происходит местный прогрев жидкости, связанный с повышением диэлектрических потерь. В результате прогрева жидкость в этих зонах вскипает, образуется газовый пузырь, а затем газовый мостик между электродами.

Как показывает опыт, очистка жидких диэлектриков, значительно повышает их электрическую прочность. Например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность Е = 4*10⁶ В/м, после очистки его прочность повышается до 20*10⁶ В/м.

Из различного рода примесей наибольшее влияние на электрическую прочность трансформаторного масла оказывает влага (рис.5.1).

На участке 1 кривой (5.1) вода в масле находится в молекулярно-растворенном состоянии и не влияет на его электрическую прочность.

Вода, присутствующая в масле в состоянии эмульсии, резко снижает его электрическую прочность, что наблюдается уже при незначительном содержании влаги - 0,01 ...0,02% (участок 2 кривой). Дальнейшее увеличение влаги мало влияет на прочность масла (участок 3). В неравномерном электрическом поле капли воды концентрируются в местах с повышенной напряженностью поля, мельчайшие капельки сливаются в более крупные, которые оседают на дно сосуда за пределы межэлектродного промежутка. Следовательно, в неравномерных электрических полях дальнейшее увеличение влаги незначительно снижает электрическую прочность масла.

Рис. 5.1. Влияние влаги на электрическую прочность жидкого диэлектрика

Кривая 1 (рис.5.2) показывает зависимость электрической прочности Е трансформаторного масла от температуры для сухого масла, а кривая 2 - для увлажненного. Как видно из рис.5.2, электрическая прочность сухого масла практически не зависит от температуры. Понижение его прочности наблюдается лишь при температуре 80...90°С, когда начинается разложение нестойких фракций с образованием легко ионизирующихся пузырьков газа.

Рис.5.2. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры: 1 – подсушенное; 2 – масло, содержащее следы воды

При повышении температуры влажного масла от 0 до 80°С вода, содержащаяся в

нём в виде эмульсии, частично переходит в молекулярно растворенное состояние. Кроме того, масло несколько подсушивается за счет испарения влаги, что сопровождается повышением электрической прочности масла. При температуре около 70...90°С испарение носит бурный характер и сопровождается образованием пузырьков водяного пара и паров летучих фракций масла. Прочность масла начинает резко снижаться.

Повышение электрической прочности влажного масла при температуре меньше 0°С объясняется замерзанием воды.

Механические примеси также снижают электрическую прочность масла, особенно когда они имеют удлиненную форму. Под действием электрического поля волокна ориентируются вдоль поля и образуют проводящие мостики. На этих примесях может адсорбироваться влага, увеличивая их электропроводность и диэлектрические потери.

Согласно действующим правилам технической эксплуатации (ПТЭ), установлены следующие наименьшие значения электрической прочности трансформаторного масла в зависимости от рабочего напряжения аппарата, заполненного маслом (табл.5.1).

Таблица 5.1

Для аппарата с низким рабочим напряжением, В	Пробивное напряжение масла, В/0.0025м
	для чистого и сухого масла	для эксплуатационного масла
3500 В и выше 6000... 35000 ниже 6000	40000 30000 26000	35000 25000 20000