Раздел 2. Разряды в жидких и твердых диэлектриках. Электрические характеристики внутренней изоляции электроустановок

Глава 1. Основные особенности изоляционных жидкостей.

Механизм пробоя жидких диэлектриков

§1.1. Основные особенности минерального масла как диэлектрика

Изоляционные минеральные масла представляют собой смесь различных очищенных углеводородов, получаемых из нефти путем ее перегонки. Состав минерального масла следующий: 40 - 60% парафинов, 30 - 50% нафтенов, 5 - 20% ароматических углеводородов, 1% олефинов.

Исходным продуктом служит натуральная нафтеновая нефть, чаще всего венесуэльская. Она не содержит воскообразных компонентов, которые повышают вязкость при низких температурах. В последнее время для получения изоляционных масел начинают использовать, прежде всего за границей, парафиновую нефть. Недостатком такого масла является то, что температура, при которой оно перестает течь, примерно на 10 градусов выше, чем температура масла на основе нафтеновой нефти, которая равна минус 50 °С. Существуют способы снижения этой температуры, основанные на введении добавок, препятствующих объединению при низких температурах очень мелких кристаллов парафина в более крупные, что сохраняет текучесть масла.

Основные свойства минерального масла низкой вязкости при температуре 20 °С и содержания воды менее 10^-5 следующие:

1) разрядная напряженность поля E_deff, кВ/см = 200 – 350;

2) диэлектрическая проницаемость _r при 50 Гц = 2,2;

3) плотность , г/см³ = 0,9;

4) tg  при 50 Гц = 10^-3 .

Электрические свойства минерального масла ухудшаются при его увлажнении. Если tg  при 40 °С практически остается постоянным при концентрациях воды до 4 - 10^-5, то при таких же концентрациях наблюдается заметное снижение электрической прочности по сравнению с прочностью при незначительном увлажнении. Если влажность превышает указанное значение, tg  резко возрастает, что сопровождается дальнейшим падением электрической прочности.

Старение. Во время эксплуатации устройств с масляной изоляцией масло стареет в результате поглощения кислорода и влаги из окружающей среды, действия повышенной температуры и катализаторов (например, меди, свинца и других металлов, имеющихся в устройстве). Кислород вступает в реакцию с углеводородами, образуя сначала перекись, а затем продукты окисления (спирты, кетоны, кислоты и щелочи) и, наконец, высокомолекулярные соединения, которые в начальной стадии еще растворимы в масле. В результате электрическая прочность масла падает, a tg  увеличивается.

В сильно состаренном масле, когда имеет место увеличение молекул, образуется шлам, затрудняющий циркуляцию масла в охлаждающих каналах, что может привести к перегреву обмотки и возникновению опасности теплового пробоя. Поэтому в некоторых случаях в трансформаторах с большой тепловой нагрузкой необходимо после нескольких лет эксплуатации фильтровать масло, пропуская его через отбеливающую глину, чтобы удалить продукты старения. Однако при этом удаляются и естественные консерванты, и поэтому после фильтрования рекомендуется добавлять ингибиторы, задерживающие окисление масла.

В новых сортах масла можно также замедлить процесс старения добавкой ингибиторов. Для этого служит 2,6-дитрибутил-паракрезол (сокращенно DBPC), содержание которого в масле составляет обычно 0,3 % по массе.

Поведение газа в масле. Изоляционные масла различаются также поведением газа в них при воздействии электрического поля. Под этим понимают изменение свойств изоляционного масла на границе раздела масло-газ, возникающее в результате скользящих разрядов, а также способность поглощать газ (преимущественно Н₂) и химически его связывать (газостойкие или газоневосприимчивые масла) или выделять (газовыделяющие и негазовыделяющие масла). На обезгаживание масла влияют определенные ароматические вещества, химически связывающие водород, при этом поведение масла в отношении газов в электрическом поле зависит не только от структуры масла, но и от энергии разрядов. Если энергия разрядов превышает пороговое значение, то теряют свои свойства даже газостойкие масла, происходит дальнейшее повышение энергии разрядов. Таким образом, все масла при большой энергии разрядов выделяют газ.

Газовый анализ. Наряду с контролем процесса старения минерального масла в трансформаторах путем регулярного взятия проб и исследования электрических и физико-химических свойств в настоящее время ценным вспомогательным средством раннего распознания дефектов в трансформаторах, получения первых сведений о возникшей неисправности является анализ растворенных в масле газов. При дефектах в трансформаторах, которые обычно связаны с повреждениями изоляции, выделяются газы, которые полностью или частично растворяются в масле.

Обнаруженные в пробах растворенные газы, а также увеличение их количества во времени служат мерой интенсивности разрядов и указывают вид разрушения, если состав газа, обычно не зависящий от сорта масла, позволяет это сделать.

По роду и количеству газа можно установить, имеются в трансформаторе частичные или искровые разряды с малой энергией, дуга или сильноточные разряды (пробои), а также местные перегревы.

Частичные и слабые искровые разряды приводят обычно к выделению Н₂ и СН₄, сильные разряды образуют в основном С₂Н₂ и Н₂. Так называемые горячие точки, в которых имеет место локальный нагрев масла, обусловливают повышенное содержание Н₂, СН₄, С₂Н₄ и С₃Н₆. При термическом разложении изоляции на основе целлюлозы выделяются СО и СО₂. Установленное соотношение компонентов газа оказывается типичным для каждого вида дефекта. Благодаря этому можно проследить долю того или иного газа и изменение во времени соотношения концентраций газов, а также оценить характер состояния трансформатора. Эти критерии облегчают распознание дефектов задолго до выхода трансформатора из строя.