3.3.4. Ионизационный пробой твердой изоляции

В технической изоляции могут возникать газовые включения. В этих включениях напряженность поля возрастает, электрическая же прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика. Поэтому в газовых включателях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным. Особенности ионизационных процессов можно проследить по схеме замещения изоляции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема замещения изоляции с газовым включением

на переменном напряжении

Емкость газового включения С₁ соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С₂. Основная масса диэлектрика имеет емкость . Разряд в газовом включении имитирован пробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С₁. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение U_o распределяется обратно пропорционально С₁ и С₂. Синусоидальная кривая напряжения на емкости С₁ показана на рис. 2.6 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно U_пр. В точке А происходит пробой ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения. Но вследствие малого значения емкости С₂ ток в ИП также мал, и искра, не переходя в дуговой разряд, сразу же гаснет. Начинается восстановление напряжения на емкости С₁ по кривой, эквидистантной пунктирной синусоиде.

Как только напряжение на ИП достигает U_пр, вновь происходит его пробой, гашение искры, восстановление напряжения и т.д. Кривая напряжения на С₁ приобретает форму, показанную на рис. 2.6 сплошной линией.

Рис. 2.6. Кривая напряжения на емкости С₁ (газовом включении):

1 - при отсутствии пробоя ИП; 2 – при пробое ИП

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд Q = C₁U_пр. Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С, равным

U = , (2.11)

где С_o – общая емкость диэлектрика, приближенно равная C + C₂.

Так как величины C₁ и С₂ неизвестны, для характеристики процесса следует ввести величину кажущейся интенсивности ионизации.

. (2.12)

Используя эту величину из формулы (2.11), получено уравнение

. (2.13)

Измеряя U_о, можно определить и значение Q_о. Серия разрядов в воздушном включении повторяется каждые полпериода. Следовательно, число их пропорционально частоте приложенного напряжения. С увеличением амплитуды приложенного напряжения число разрядов за полупериод возрастает.

Развитие процесса будет протекать следующим образом. Нейтрализация заряда Q связана с рассеиванием энергии , переходящей в тепло. В твердой синтетической изоляции, например, полиэтилене или полистироле, возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно возникает канал, по мере удлинения которого рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в канале часто образуются вещества типа смолы; зачастую при этом канал обуглероживается и становится проводящим. В этих случаях разряды прекращаются, но возникает новая электрическая или тепловая формы пробоя.

Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей.

Ионизационный пробой обычно начинается в местах с наиболее высокой напряженностью поля. Особенно опасны тангенциальные составляющие поля вдоль слоев бумаги. Поэтому в изоляционных конструкциях стремятся избежать высоких тангенциальных составляющих.

Ионизационный пробой (ИОП) развивается во времени очень медленно. Поэтому наличие газовых включений практически не сказывается на прочности изоляции при импульсных воздействиях. Однако каждый импульс высокой амплитуды вызывает разряд в газовых включениях и составляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ИОП ярко выражен кумулятивный эффект. Электрическая прочность существенно понижается при большом числе импульсных воздействий. Характеристикой изоляции в отношении ионизационных явлений служит напряжение ионизации, т.е. такое приложение напряжения рабочей частоты, при которой в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем. Различают следующие ионизационные характеристики изоляции:

• критическое напряжение ионизации. U_кр.и – напряжение, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ИОП изоляции за относительно короткий срок;

• начальное напряжение ионизации. U_н.и – наименьшее напряжение, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.

Испытательное напряжение изоляции не должно превышать критического напряжения ионизации; рабочее напряжение не должно превышать начального напряжения ионизации. Исключение могут составлять только локальные участки вблизи электродов с острыми краями, например на краях конденсаторных обкладок, где напряженность поля очень высока и начальная напряженность U_н.и ниже U_раб.

В бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции повышение напряжения достигается тщательной очисткой масла, пропиткой твердой волокнистой изоляции, применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона, дерева и пр.), применением литых изделий из целлюлозы или пластмасс.

Изложенные выше особенности ионизационного пробоя относились к переменному напряжению или повторным импульсам. При постоянном напряжении ионизационные процессы в газовых включениях протекают иначе. Распределение постоянного напряжения по элементам изоляции происходит в соответствии с проводимостями этих элементов. Схема замещения изоляции с газовыми включениями приведена на рис. 2.7. В этой схеме R₁ и R₂ - сопротивления изоляции газового включения и последовательно включенного участка здоровой изоляции, а R - сопротивление остальной массы изоляции.

Рис. 2.7. Схема замещения изоляции с газовым включением на постоянном напряжении

В момент пробоя ИП напряжение на емкости С₂ (емкости газового включения) уменьшается до нуля, затем гаснет. Восстановление напряжения на С₂ происходит с постоянной времени T = R_эC_э, где R_э= R₁||R₂; C_э= С₁||С₂. Вследствие высоких значений R_э, Т измеряется секундами или даже минутами. Поэтому повторные пробои газовых включений происходят редко. По этой причине на постоянное напряжение изоляционные конструкции допускают значительно большие рабочие напряженности поля, чем на переменное напряжение.