При значении приложенного напряжения U3 прямая теплоотдачи является секущей кривой тепловыделения, и, следовательно, диэлектрик нагревается до температуры t1, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Напряжение U3 будет не опасным для образца диэлектрика, если нагрев до температуры t1 не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. Дальнейшее повышение напряжения приведет к тому, что прямая теплоотдачи оказывается касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, при температуре t2 будет только неустойчивое тепловое равновесие. При дальнейшем повышении напряжения никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение, при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя.
Тепловой пробой развивается длительно и может инициироваться локальным перегревом из-за увеличения tgδ и ухудшением теплоотвода изоляционной конструкции.
Электрохимический пробой. Этот вид пробоя происходит в результате сложных физико-химических процессов, обусловленных длительным воздействием электрического поля и приводящих к необратимому уменьшению сопротивления изоляции.
При переменном напряжении происходит ионизация воздушных включений из-за частичных разрядов. В этом случае пробой связан с постепенным химическим разрушением органического диэлектрика (пропитанная бумага, резина и т. д.).
При постоянном напряжении электрохимическое старение обусловлено электролитическими процессами, протекающими особо интенсивно при повышенных температурах и влажности.
Каждый из рассмотренных видов пробоя может иметь место иметь место в одном и том же диэлектрике в зависимости от его химической структуры, геометрии, условий эксплуатации и протекать
73
одновременно. Наиболее сложными процессами обусловлен электрохимический пробой композиционных и неоднородных материалов (пористая керамика, бумажно-маслянная изоляция, слюдосодержащие материалы и т. д.).
Самым быстрым по развитию является электрический пробой, а самым длительным — электрохимический (рис. 4.22).
τ |
Рис. 4.22. Временная зависимость пробивного напряжения от времени воздействия напряжения
4.3. ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Газообразные диэлектрики отличаются от прочих диэлектриков следующими свойствами:
низкими значениями диэлектрических потерь; высокими значениями удельного сопротивления;
низким значением относительной диэлектрической проницаемости (порядка единицы);
способностью к восстановлению электрической прочности после пробоя.
Наиболее распространенный газообразный диэлектрик — воздух, который, например, является единственным электроизоляционным материалом, разделяющим неизолированные провода линий электропередач.
Благодаря своей распространенности воздух имеет и недостатки, так как этот газ заполняет трещины и пустоты в твердом диэлектрике, насыщает жидкий диэлектрик, а также заполняет межслоевые промежутки намотанной органической изоляции. При воздействии
74
электрического поля в таких воздушных включениях возникают частичные разряды, что приводит к интенсивному электрическому старению изоляции. Таким образом, при изготовлении изоляционной конструкции воздух должен быть удален.
Также известны и другие газообразные диэлектрики, такие как: азот, водород, углекислый газ, а особенно ценен элегаз (гексафторид серы — SF 6), бесцветный, нетоксичный, негорючий тяжелый газ, при нормальных условиях в 6 раз тяжелее воздуха.
Молекула элегаза имеет октаэдрическую конфигурацию. Чрезвычайно химически инертен. Не взаимодействует со щелочами, кислотами, окислителями, восстановителями. Не реагирует с расплавленными алюминием и магнием, защищает их от воздействия кислорода атмосферы.
Гексафторид серы очень слабо растворяется в воде; растворяется в неполярных органических растворителях. При атмосферном давлении возгоняется из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость. Обладает высокими электроизолирующими и дугогасящими свойствами, высоким напряжением пробоя, при этом практически инертен — инертность выше, чем у азота и немного не дотягивает до инертности гелия, при этом гораздо дешевле. Разлагается при температуре выше 1100 ° С. Газообразные продукты разложения элегаза ядовиты и обладают резким, специфическим запахом. Элегаз не поддерживает горения и дыхания.
Данный газ наиболее широко используется в дугогасительных камерах, где под действием электрического поля разрушается с образованием активного фтора, который существенно влияет на свойства материалов, с которыми контактирует элегаз.
В электрическом поле элегаз обладает способностью захватывать электроны (количество носителей заряда уменьшается), что и обусловливает его высокую электрическую прочность. При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше электрической прочности жидких и даже некоторых твердых диэлектриков.
75
tgδ
t, O C
Рис. 4.23. Влияние старения на диэлектрические потери трансформаторного масла, насыщенного элегазом:
1 — тепловое старение; 2 — комплексное (тепловое и электрическое)
Если нефтяное масло насыщено элегазом и подвержено только тепловому воздействию, то зависимость tgδ от температуры (рис. 4.23) выражена кривой 1. Если это же нефтяное масло помимо температурного воздействия подвержено еще и электрическому, то его потери резко увеличиваются из-за образования атомарного фтора, влияющего на старение масла (кривая 2).
4.4. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Электроизоляционные жидкости должны обеспечивать изоляцию токоведущих частей электрооборудования (трансформаторов, кабелей и др.), являться диэлектрической средой с высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах, служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях.
4.4.1. Классификация и основные требования к жидким
диэлектрикам
Жидкие диэлектрики классифицируются по следующим призна-
кам.
По специфике применения. Жидкий диэлектрик для кабелей, конденсаторов, трансформаторов и т. д.
По верхнему пределу допустимой рабочей температуры. На-
пример, до 70 ° С используются нефтяные конденсаторные масла; до
76
95 ° С — нефтяные масла в трансформаторах; до 200 ÷ 250 ° С — различные жидкости, содержащие кремний.
По степени горючести. Жидкие диэлектрики делятся на горючие и негорючие.
По степени высыхаемости. Высыхающее льняное масло и невысыхающее касторовое.
По химической природе. Растительные масла; синтетические жидкости и нефтяные масла.
Требования к жидким диэлектрикам определяются конструкцией оборудования, в котором они используются, а также условиями эксплуатации и экологической безопасностью. Общие требования к пропитывающим жидкостям можно сформулировать следующим образом.
Жидкость должна обладать хорошими электрическими свойст-
вами.
Электрическая прочность пропитывающих жидкостей должна быть высокой. Это основное условие, без которого немыслимо применение жидкости в высоковольтном электроэнергетическом оборудовании. Пробивная напряженность жидкого диэлектрика является весьма важной характеристикой, определяющей его электроизоляционные свойства, она в значительной степени зависит от наличия в его составе тех или иных примесей (газа, влаги и т. д.). В связи с этим только для жидкостей высокой степени чистоты пробивная напряженность может характеризовать химическую природу жидкости. Наряду с примесями на электрическую прочность жидкостей оказывает влияние также вид, длительность и значение приложенного напряжения, а также форма, материал и состояние поверхности электродов.
Величина тангенса диэлектрических потерь пропитывающей жидкости должна быть минимальной. В этом случае уменьшаются потери энергии в изоляции, снижается возможность ее перегрева в рабочем режиме. При технической частоте (50 Гц) диэлектрические потери в жидком диэлектрике определяются практически только проводимостью, потому что потери за счет дипольно-релаксационной
77
поляризации в этих жидкостях не наблюдаются, так как время релаксации (порядка 10- 11 – 10 - 12 с) намного меньше частоты.
Величина tgδ зависит как от химической природы жидкости, так
иот степени ее загрязнения различными примесями. В зависимости от конструкции изоляции электрического аппарата требования к величине tgδ могут различаться, однако общее требование к tgδ пропитывающей жидкости при 100 0С — не более 0,03 при отсутствии ухудшения с ростом температуры и частоты напряжения.
Электрическое сопротивление пропитывающей жидкости должно быть высоким. Электропроводность в жидких диэлектриках происходит в основном за счет движения положительных и отрицательных ионов, возникающих в результате диссоциации примесей или продуктов старения жидкости, а также наличия электронов, возникающих в результате эмиссии из катода при высоких значениях напряженности электрического поля. К ионной проводимости добавляется электрофоретическая, если жидкости содержат примеси в виде суспензии или эмульсии. Частицы этих примесей могут заряжаться от окружающей среды и участвовать в переносе электрического заряда.
Величина относительной диэлектрической проницаемости
пропитывающей жидкости выбирается в зависимости от особенностей изоляции электрооборудования. Для изоляции трансформаторов
икабелей важно, чтобы значения ε пропитывающей жидкости и твердого изоляционного материала были бы достаточно близкими. При этом условии обеспечивается равномерное распределение напряженностей электрического поля между компонентами изоляции.
Вряде случаев (например, для кабельной изоляции) величина относительной диэлектрической проницаемости должна быть минимальной, чтобы способствовать снижению электрической емкости изоляции и, тем самым, увеличить пропускную способность кабеля. Наоборот, для электрических конденсаторов необходимы пропитывающие жидкости с максимальным значением ε, в результате чего достигается увеличение удельных параметров конденсаторов.
78
Стойкость к воздействию электрического поля (газостой-
кость). При работе маслопропитанной изоляции в высоком электрическом поле при рабочем напряжении и, особенно, в случае перенапряжений в пропитывающей жидкости могут возникать частичные разряды (начальные и критические), которые вызывают ее разрушение, выражающееся в образовании газообразных продуктов старения — водорода, углеводородных соединений (CH4, C2H2 и т. д.) и окислов углерода (CO, CO2).
Пропитывающие жидкости для изоляции высоковольтного электрооборудования (конденсаторов, кабелей) должны характеризоваться высоким значением напряжения возникновения частичных разрядов (UЧР), низкой амплитудой и частотой повторения импульсов частичных разрядов (QЧР, nЧР) и высокой способностью поглощать газообразные продукты старения.
Жидкость должна обладать хорошими физико-химическими свойствами.
Электроизоляционная жидкость должна иметь определенный уровень вязкости. Важно сохранение малой вязкости пропитывающего жидкого диэлектрика при низких температурах для обеспечения теплопроводящих и диэлектрических свойств изоляции, что позволяет увеличить допустимый рабочий температурный диапазон электрооборудования.
В некоторых случаях требуется электроизоляционная жидкость повышенной вязкости, например в случае использования ее для пропитки изоляции вертикально и наклонно расположенных электрических кабелей. При этом удается избежать вытекания жидкости из изоляции.
Электроизоляционные жидкости должны обеспечивать хороший теплоотвод. Теплопроводящие свойства электроизоляционных жидкостей определяются в основном их вязкостью. В некоторых случаях используются легкокипящие (фторсодержащие) жидкости, где эффект
79
охлаждения достигается за счет расходования тепла на парообразование при попадании жидкостей на нагретые части оборудования.
Электроизоляционные жидкости должны быть негорючими, а смеси их паров с воздухом взрывобезопасными. Это требование в ряде случаев имеет первостепенное значение.
Электроизоляционные жидкости должны сохранять первоначальные значения электрофизических и других показателей в условиях длительной эксплуатации и хранения. Наиболее важное свойство электроизоляционных масел — стабильность против окисления.
Электроизоляционные жидкости должны быть совместимыми с твердой изоляцией и конструктивными материалами, используемыми в электрооборудовании. Это означает, что материалы не должны разрушаться или изменять свои свойства при контакте с жидкостью, а жидкость не должна загрязняться продуктами, которые могут выделяться из материалов. Особенно важным это требование является для современных типов высоковольтных электрических конденсаторов с бумажно-пленочным и чисто пленочным диэлектриком. Использующиеся полипропиленовые пленки имеют тенденцию набухать в пропитывающих жидкостях, ухудшая тем самым качество пропитки конденсаторных секций. Поэтому в каждом конкретном случае для изоляционных жидкостей различной химической природы должны быть подобраны материалы инертные или слабо взаимодействующие с ними.
Очень важным требованием с точки зрения экологии и промышленной санитарии является высокая способность пропитывающих жидкостей быстро и достаточно полно разрушаться под действием солнечной радиации и микроорганизмов (биодеградация) и отсутствие вредного воздействия жидкостей и их паров на функционирование человеческого организма.
При рассмотрении экономических требований необходимо учитывать не только стоимость электроизоляционных жидкостей, которая для большинства продуктов химического синтеза (синтетические
80
жидкости) выше, чем для нефтяных масел, но учитывать и тот положительный эффект, который можно реализовать, применяя в изоляции высококачественную жидкость, обладающую повышенными эксплуатационными свойствами.
Ни один из существующих жидких диэлектриков полностью не удовлетворяет этим требованиям. Поэтому при выборе жидкого диэлектрика обеспечивают их соответствие важнейшим требованиям, а наименее важными пренебрегают, недостатки диэлектрика компенсируют, вводя ограничения на условия эксплуатации.
4.4.2. Краткие сведения о некоторых промышленных
жидких диэлектриках
Нефтяные масла. Нефтяные электроизоляционные жидкости являются продуктом переработки нефти и представляют собой очищенную фракцию нефти, кипящую при температуре от 300 0С до 400 0С. Основными сортами нефтяных изоляционных масел являются трансформаторные, конденсаторные и кабельные. Трансформаторные масла, кроме трансформаторов, используются в масляных выключателях, вводах и других электротехнических устройствах. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами, и эти отличия исходного сырья отражаются на физико-химических и электрических свойствах нефтяного масла. Оно имеет сложный состав, состоящий из углеводородных и не углеводородных компонентов.
Углеводородные компоненты, составляющие основную часть масла, можно разделить на три основные структурные группы: парафиновые, нафтеновые и ароматические.
Парафиновые углеводороды, соединения типа:
–СН2 – СН2 – СН2 –.
Вмолекулярной цепочке масла данного типа должно быть не более пятнадцати атомов углерода, иначе будет высокая температура застывания.
Нафтеновые углеводороды, например циклогексан:
81
Ароматические углеводороды, например бензол:
Нафтеноароматические углеводороды.
Всоставе нефтяных масел присутствует также небольшое количество соединений, содержащих кислород, азот и серу.
Варьируя количество составляющих частей, можно влиять на свойства соединения, например, если много нафтеновых компонентов, то tgδ будет низким, но при этом будет низкая газостойкость, а, следовательно, низкая устойчивость к воздействию электрического поля. При большом содержании ароматических составляющих — высокая газостойкость, но и tgδ будет иметь более высокие значения.
Вцелом, большинство нефтяных масел — неполярные жидкости, у которых относительная диэлектрическая проницаемость 2,1-2,5; электрическая прочность порядка 20 кВ/мм и tgδ равный
(1 ¸ 2) ×10−4 .
В последние годы наметилась устойчивая тенденция к увеличению объема применения синтетических пропитывающих жидкостей в высоковольтном электрооборудовании (кабелях, трансформаторах и конденсаторах). Это обусловлено необходимостью обеспечить длительную и надежную работу высоковольтной изоляции при повышенной напряженности электрического поля, в условиях воздействия излучений высокой энергии и т. д. Во всех этих случаях нефтяные
82