ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 1_6

Лекция 6

Слайд 1

Характерные размеры высоковольтной установки во многом определяется длинной изоляционных промежутков, размеры которых выбираются исходя из напряжения сети и электрической прочности изолирующей среды. В конце предыдущей лекции мы рассмотрели характерные изоляционные расстояния в воздухе, которые при напряжении сети свыше 110 кВ достигают нескольких метров. В целом ряде случаев возникает необходимость компактных изоляционных промежутков (внутренняя изоляция трансформаторов, кабельная изоляция и т.п.). В этих случаях применяются изолирующие среды с существенно более высокой по сравнению с воздухом электрической прочностью. К таким средам относятся жидкие и твердые диэлектрики. Электрическая прочность жидких диэлектриков может в десятки раз превосходить соответствующую характеристику воздуха. Это позволяет создавать элементы установок высокого напряжения в виде маслонаполненного оборудования – трансформаторы, вводы, кабели. Способность жидкого диэлектрика к свободному течению создает благоприятные условия для охлаждения токоведущих элементов, что используется в мощных силовых трансформаторах, где проблема ограничения нагрева обмоток является одной из главных.

Важным свойством жидкого диэлектрика, отличающего его твердого, является способность к самовосстановлению после электрического разряда. Однако в отличие от газового диэлектрика продукты электрических разрядов, возникающие в результате термических и химических процессов, накапливаются в объеме диэлектрика. Поэтому в процессе эксплуатации оборудования жидкие диэлектрики, например трансформаторное масло, нуждаются в мониторинге и при необходимости очистки от загрязнений и влаги.

Конструирование изоляции высокого напряжения с использование жидкого диэлектрика предусматривает использование дистанцирующих - твердотельные диэлектрические элементы. Поэтому чаще всего жидкие диэлектрики используются в комбинации с твердыми. При этом для достижения большей компактности применяются средства принудительного распределения потенциала – конденсаторные обкладки, экраны и т.п.

Ниже будут рассмотрены типовые комбинированные изоляционные конструкции – бумажно-масляная и маслобарьерная изоляция.

Слайд 2.

Анализ закономерностей пробоя жидких диэлектриков, применяемых в технике высоких напряжений целесообразно начать с их классификации.

Жидкие диэлектрики, применяемые в ТВН, приведены в верхнем списке данного слайда. Наиболее широко в электроэнергетическом оборудовании применяются продукты нефтеперегона – минеральные масла – трансформаторное, конденсаторное и кабельное масло. Это неполярные диэлектрики с весьма высоким удельным сопротивление и, соответственно, низким тангенсом угла диэлектрических потерь.

В ряде случаев необходима диэлектрическая среда с высоким значением диэлектрической проницаемости, например в силовых конденсаторах высокого напряжения для увеличения их емкости. Поэтому в конденсаторах могут применяться полярные диэлектрики в частности хлорированные, обладающие большим (свыше 5) значением диэлектрической проницаемости. Следует отметить, что хлорированные диэлектрики (хлордифинил, совол) токсичны и без особой необходимости не применяются. Альтернативой им может служить касторовое масло, обладающее, к, сожалению, довольно низким удельным электрическим сопротивлением.

Слайд 3.

Степень неидеальности жидкого диэлектрика характеризуется его электропроводностью. Хотя электропроводность реального диэлектрика на несколько десятков порядков ниже чем у хороших проводников тока. Роль электропроводности диэлектрика остается одной из определяющих при формировании электрического разряда в нем. Поэтому механизмы электропроводности жидких диэлектриков, применяемых в ТВН заслуживают отдельного рассмотрения.

Различают несколько видов (механизмов) проводимости жидкого диэлектрика. В частности ионая проводимость осуществляется перемещением диссоциированных частиц жидкости – ионов под действием приложенного электрического поля.

Катафоретическая проводимость осуществляется вследствие движения каллоидных частиц или частиц примесей относительно большого размера. Отмеченные частицы имеют электрический заряд и следовательно испытываю на себе действие электрической силы при приложении внешнего электрического поля. В реальных жидких диэлектриках оба отмеченных механизма проводимости присутствуют одновременно и трудно разделимы. Увеличение температуры жидкого диэлектрика приводит к росту частоты колебаний ионов вблизи точек равновесия, что увеличивает вероятность преодоления потенциальных барьеров, образуемых частицами жидкости, т.е. увеличивает интенсивность направленного вдоль поля движения зарядов. Поэтому имеет место возрастающая температурная зависимость электропроводности жидкого диэлектрика, описываемая приведенной формулой. Данные на графиках экспериментальные результаты измерения удельного электрического сопротивления в зависимости от температуры подтверждают сделанный выше вывод.

Существенно повышают электропроводность жидкого диэлектрика примеси. Типовые примеси трансформаторного масла - вода, газы, волокна целлюлозы, углерод, продукты разложения масла. Поэтому, как уже отмечалось, состояние трансформаторного масла периодически проверяется на наличие указанных примесей.

Слайд 4.

Электронная проводимость, реализуемая движением свободных электронов по структуре жидкого диэлектрика имеет место лишь при очень высоких напряженностях электрического поля. В этом в результате эмиссии на электродах в жидкость внедряется достаточно число свободных электронов, способных создать заметный электрический ток в промежутке. Электронная проводимость проявляет себя в предпробивных состояниях жидкого диэлектрика при средней напряженности поля, превосходящей 100 кВ/см. Зависимость плотности тока проводимости от напряженности поля при этом носит экспоненциальный характер.

Переходя к анализу факторов, влияющих на электрическую прочность жидкого диэлектрика, в частности трансформаторного масла, отметим, что электрическая прочность очищенного и осушенного трансформаторного масла более чем на порядок превосходит пробивную напряженность воздуха и составляет 350-400 кВ/см.

Основные факторы, влияющие на величину пробивного напряжения жидкого диэлектрика приведены на данном слайде. Одним из наиболее опасных, способных существенно снизить электрическую прочность факторов, является увлажнение трансформаторного масла.

Слайд 5.

По мере увеличения средней концентрации влаги в баке с трансформаторным маслом она может пребывать в различных состояниях: молекулярный раствор, эмульгированное состояние, слой воды на дне бака.

Экспериментальная зависимость электрической прочности трансформаторного масла от влагосодержания приведена на рисунке. Зависимость показывает общую тенденцию к снижении. Электрической прочности с резким спадом пробивной напряженности при достижении влагосодержанием значения 40 г/т. При значении влагосодержания свыше 50 г/т молекулярный раствор замещается эмульгированным состоянием.

Присутствие влаги и примесей, например волокон целлюлозы, ведет к снижению электрической прочности при постоянном напряжении и напряжении промышленной частоты и практически не сказывается на импульсной прочности масла. Объясняется это тем, что электрический пробой, обусловленный влагой и волокнами, происходит за счет формирования и удлинения вдоль поля проводящих мостиков состоящих из водных частиц и волокон. Такой механизм требует определенного времени и при коротких по времени воздействиях описанные мостики не успевают сформироваться.

Слайд 6.

Наряду с волокнами, примесями и влагой на пробой жидкого диэлектрика оказывают газовые пузырьки, всегда присутствующие в любой жидкости в той или иной концентрации. Повышение внешнего давления приводит как к уменьшению размера, так и концентрации пузырьков. Поэтому с ростом давления электрическая прочность жидкого диэлектрика растет, что демонстрируют приведенные на данном слайде графики. Особенно сильная зависимость по вполне понятным причинам имеет место для недегазированного трансформаторного масла. Отмеченные закономерности проявляются при постоянном напряжении и напряжении промышленной

частоты и не отмечаются по отношению к импульсной электрической прочности жидкого диэлектрика.

Слайд 7.

Влияние температуры на электрическую прочность трансформаторного масла не так однозначно, как например рассмотренная выше степень увлажнения. Уменьшение электрической прочности с ростом температуры в области отрицательных значений связано с ростом концентрации размеров газовых пузырьков в жидком диэлектрике. Рост электрической прочности в области положительных температур вплоть до 70-80 град.С обусловлен переходом эмульгированной влаги в состояние молекулярного раствора. Уменьшение электрической прочности при температуре свыше 80 град.С связано ростом газовыделения в масле. Описанная зависимость слабо выражена в случае осушенного трансформаторного масла, поскольку главная роль в ее формировании принадлежит частицам воды.

Слайд 8.

Влияние времени приложения напряжения на пробивную напряженность трансформаторного масла лежит в русле общей тенденции – чем меньше время приложения напряжения, тем выше пробивная напряженность. В случае жидкого диэлектрика существенно, что механизмы пробоя при коротких и относительно больших временах приложения напряжения существенно различаются. Как уже отмечалось выше влага и примеси проявляют себя при напряжении промышленной частоты. Пробой в этом случае возникает в результате образования вытягивания вдоль поля проводящих мостиков их примесей и влаги, по которым замыкается ток в изоляционном промежутке. Разогрев такого мостика под действием протекающего тока приводит к испарению жидкого диэлектрика в его окрестности и образованию газового канала, по которому и происходит финальный пробой.

В случае короткого времени приложения напряжения данный механизм сформироваться не успевает и главной причиной пробоя является заметный электронный ток, возникающий при существенно больших напряженностях электрического поля. Электроны в процессе своего движения по жидкому диэлектрику способны разрушать химические связи в молекулах основного

диэлектрика, что приводит к образованию газовой фазы. В конечном как и в первом случае пробой происходит в газообразном разрядном канале.

Слайд 9.

Влияние геометрических характеристик разрядного промежутка с жидким диэлектриком напоминает закономерности, характерные для промежутков газовых. В частности характерны более высокие разрядные напряжения при отрицательной полярности острия по сравнению с положительной. Однако степень кривизны электрода влияет более сильно в случае жидкого диэлектрика по сравнению с воздухом. Это иллюстрирует правый рисунок, приведенный на данном слайде, где построены зависимости разрядных напряжений электродов в форме сфер различного радиуса, а также системы стержень-плоскость.

Слайд 10.

Размещение между электродами в жидком диэлектрике плоского твердотельного диэлектрического барьера способно увеличить пробивную напряженность в промежутке. В частности адсорбция на обеих сторонах барьера электрических зарядов разного знака позволяет сделать распределение поля более равномерным вблизи криволинейного электрода. Во-вторых, плоский барьер препятствует формированию проводящих мостиков из примесей и влаги, которые перекрывают собой промежуток. Эти причины приводят к уменьшению различия пробивных напряженностей при импульсном воздействии и напряжении промышленной частоты.

Зависимость, на правом рисунке слайда демонстрирует увеличение электрической прочности промежутка с трансформаторным маслом с резконеоднородным полем (иглаплоскость) при введении в него плоского барьера из электрокартона. Кривая также показывает наличие оптимального расстояния от острия при размещении барьера, при котором достигается более, чем двухкратное увеличение электрической прочности.