ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 1_7

Лекция 7.

Слайд 1

Как отмечалось ранее, твердые диэлектрики позволяют благодаря своей относительно высокой электрической прочности обеспечивать необходимую компактность высоковольтных установок и их элементов, благодаря меньшим изоляционным расстояниям. С другой стороны твердотельные изоляционные элементы необходимы для фиксации токоведущих элементов в пространстве для обеспечения заданных изоляционных расстояний.

Среди твердотельных изоляционных материалов в технике высоких напряжений в настоящее время применяются электротехнический фарфор, электрокартон, литые эпоксидные конструкции, кренмний-органические резины, кабельная бумага.

Соответственно задачам, решаемым с помощью твердотельных изоляционных конструкций, к материалам для их изготовления предъявляются требования электрической прочности, механической прочности и термостойкости.

Электрофизические характеристики твердых диэлектриков похожи на соответствующие характеристики рассмотренных на предыдущей лекции жидких диэлектриков характеристики. Это обусловлено тем, что расстояния между частицами в жидком и твердом диэлектрике имеет один порядок. При этом время оседлого положения частиц в жидком диэлектрике, хотя и существенно меньше, чем в твердом, но достаточно для формирования механизмов электропроводности, подобных твердому диэлектрику. Поэтому зависимости электропроводности твердых диэлектриков от температуры и напряженности электрического поля, приведенные на данном слайде аналогичны жидкому диэлектрику.

Как и в случае жидких диэлектриков, основным механизмом проводимости в умеренных электрических полях в твердых диэлектриках является ионная проводимость. В сильных полях, приближающихся к пробивным, заметную роль начинает играть электронная проводимость.

Слайд 2.

Полный набор характеристик, которые следует принимать во внимание при конструировании и выборе твердотельных изоляционных элементов, приведен в таблице на данном слайде.

Мы уже обсудили ранее необходимость учета электрических и механических характеристик твердых изоляционных материалов (первые две колонки таблицы). Наряду с этим зачастую очень большое значение имеют тепловые характеристики. Теплопроводность играет важнейшую роль в изоляции электрических машин. Даже незначительное повышение теплопроводных свойств изоляции позволяет весьма существенно увеличивать номинальную мощность электрогенераторов. Поскольку твердотельные изоляционные элементы имеют непосредственный контакт с токоведущими элементами, то предельные температуры нагрева последних будут определяться только термостойкостью изоляции. Поэтому температура тепловой деструкции твердой изоляции должна учитываться при конструировании целого ряда высоковольтных изделий, например кабелей, нелинейных ограничителей перенапряжении и.т.п.

Химические характеристики твердой изоляции имеют большое значение при анализе проблем стойкости изоляции к внешним воздействиям

– свет, осадки, агрессивные среды. В частности химический состав полимерной изоляции самым существенным образом определяет ее трекингостойкость. Напомним, что явление трека – образование науглероженных дорожек на поверхности изолятора, вдоль которых развивается процесс перекрытия, возникает при воздействии на поверхность изолятора разного рода осадков и загрязнений.

На качество современной полимерной изоляции химический состав полимера влияет как в части устойчивости к микроорганизмам, так и в привлекательности в качестве пищи птиц и мелких животных.

Слайд 3.

Соотношение между средней электрической прочностью твердых, жидких и газообразных диэлектриков приведено на данном слайде. Сводка из шести основных физических факторов, влияющих на электрическую прочность твердого диэлектрика, приведена на данном слайде.

К основным видам электрического пробоя твердого диэлектрика относятся:

-электрический пробой, вызываемый чисто электрическими механизмами воздействия сильного электрического поля на частицы диэлектрика

-тепловой пробой, вызываемый несбалансированным тепловыделением в диэлектрике с конечным тангенсом дельта при приложении внешнего электрического поля

-пробой, обусловленный длительным действием электрического поля, вызывающего старение и постепенное разрушение структуры диэлектрика – явление, известное, как частичные разряды

Наибольшей пробивной напряженностью характеризуется первый механизм пробоя, а наименьшей – последний.

Слайд 4.

Реализация того или иного механизма пробоя происходит в зависимости времени приложения напряжения. Как следует из кривой рисунка данного слайда первые две временные зоны диаграммы соответствуют чисто электрическому механизму пробоя при времени приложении напряжения менее одной десятой доли секунды. Тепловой механизм пробоя твердого диэлектрика реализуется при существенно большей длительности приложения напряжения вплоть до 1000 с. Пробой на основе механизма старения реализуется при существенно больших длительностях приложения напряжения.

Слайд 5.

Аналогично газовым промежуткам для твердого диэлектрика характерна тенденция в увеличении пробивной напряженности при уменьшении толщины диэлектрика, что используется в технике силовых конденсаторов, где применяются тонкопленочные диэлектрики.

Температурная зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика весьма сабо выражена вплоть до 60 градусов Цельсия, что показывает рисунок на данном слайде.

Слайд 6.

Для реализации электрического механизма пробоя необходимо довольно высокая напряженность электрического поля, свыше 100 кВ/мм, когда энергия электронов, освобождаемых с поверхности электродов, будет достаточна для совершения ионизационных процессов в кристаллической решетке диэлектрика.

Тепловой пробой реализуется при существенно меньших напряженностях электрического поля. При этом время приложения напряжения требуется существенно большим.

Поскольку реальный диэлектрик характеризуется конечным значением электропроводности, то при приложении напряжения в нем в соответствии с законом Джоуля-Ленца происходит тепловыделение. При наличии теплового равновесия выделяемое тепло отводится в окружающее пространство. На рисунке представлена модель в виде плоского диэлектрика толщиной d в конденсаторных обкладках. Первая из двух формул в рамках описывает полную мощность тепловыделения в диэлектрике. Следует обратить внимание на то, что энерговыделение пропорционально тангенсу дельта диэлектрика. При этом тангенс дельта практически всех диэлектриков является возрастающей функцией температуры. Поэтому при неизменном приложенном напряжении будет иметь место рост тепловыделения при увеличении температуры диэлектрика. (См. кривые на втором рисунке данного слайда.) Тепловой баланс имеет место если достигается равенство у выделяемой и отводимой энергией. Последнюю можно приближенно описать линейной зависимостью от температуры (вторая формула в рамке в верхней части слайда), где альфа коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности обкладок. Тепловое равновесие существует, если имеется точка пересечения кривой тепловыделения и прямой линией зависимости отводимой мощности от температуры. Из рисунка видно , что предельному равновесному состоянию соответствует положение, когда прямая линия зависимости отводимой мощности касательна к кривой выделяемой мощности. На нашем рисунке это соответствует U= U2. Аналогичная точка имеет место и для меньшего значения напряжения U=U1. Однако в отличие от случая U=U2 это точка соответствует устойчивому состоянию, поскольку при случайной вариации температуры в сторону увеличения теплоотвод будет преобладать над тепловыделением (точка T1 на диаграмме). Иная ситуация наблюдается в точке T2. Здесь конечная положительная вариация температуры приведет большему тепловыделению по сравнению с тепловыделением и вызовет дальнейший неограниченный рост температуры. Поэтому в точке предельного равновесия выполняется равенство

производных по температуре от выделяемой и отводимой мощности. Дальнейший анализ приведенных выражений применительно к описанному условию предельного равновесия приводит к выражению для пробивного напряжения, из которого следует, что оно (напряжение) пропорционально корню квадратному из толщины диэлектрика d. Характерно, что при электрическом пробое напряжение пробоя пропорционально первой степени d.

Слайд 7.

Частичные разряды это маломасштабные разрядные явления, происходящие в дефектах твердотельной изоляции (поры, каверны, микронеровности), на поверхности твердого диэлектрика, неплотно соприкасающихся с электродами. Проявления коронного разряда в изоляционных конструкциях также можно отнести к частичным разрядам. Указанные дефекты всегда в том или ином количестве присутствуют в изоляционных конструкциях. Поэтому частичные разряды присутствуют в течение всего срока эксплуатации изоляции. Частичные разряды вызывают необратимые изменения диэлектрика в местах их существования вследствие воздействия на него плазмы разряда и вызывающего химическое разложение последнего.

Таким образом, частичные разряды являются основным механизмом старения изоляционной конструкции. Начальное и текущее состояние изоляционной конструкции, таким образом, можно оценивать по уровню интенсивности частичных разрядов, которые в дальнейшем будут классифицированы нами, как начальные (новая изоляционная конструкция) и критические (состояние близкое к выходу из строя или пробою изоляции ). Между указанными состояниями лежит уровень интенсивности частичных разрядов, отвечающим нормальным эксплуатационным условиям.

Рассмотрим модель единичного частичного разряда, происходящего в уединенной поре в толще диэлектрика, показанную на рисунке данного слайда. Электрическую схему замещения диэлектрика в области дефекта можно представить в виде параллельного соединения емкости основного диэлектрика и части диэлектрика, содержащего дефект. При этом диэлектрик в области дефекта замещается последовательным соединением емкости дефекта и пропорциональной по площади поврежденного участка емкости диэлектрика. Поскольку пора дефекта содержит газ, а не твердый диэлектрик то электрическая прочность поры ослаблена и при достижении в ней

достаточного напряжения в поре происходит электрический пробой. Обычно напряжения пробоя поры составляет несколько сот вольт. Ситуация пробоя моделируется разрядником, включенным параллельно емкости, эквивалентирующей дефект. Отметим, что напряженность в области поры выше, чем в среднем по диэлектрику, так как диэлектрическая проницаемость газа в несколько раз ниже, чем у твердого диэлектрика.

Формула эквивалентной емкости Сэ диэлектрика содержит емкость включения (поры) Св, которая изменяется от некоторого конечного значения до нуля в момент пробоя включения. Поэтому скачкообразное изменение претерпевает и полная эквивалентная емкость Сэ. При практических измерениях это приводит к скачкообразным изменениям напряжения, на диэлектрике. Считая геометрическую емкость диэлектрика постоянной отмеченный скачок напряжения можно представить скачкообразным изменением заряда при постоянной емкости диэлектрика. Данный заряд называют кажущимся зарядом и его величина принята в качестве меры состояния диэлектрика. Величина кажущегося заряда нормируется и ограничена сверху для выпускаемых промышленностью высоковольтных изоляционных конструкций различного назначения. Кажущийся заряд является весьма малой величиной по порядку величины составляющий несколько пикокулон.

Слайд 8.

Связь кажущегося заряда и физического выражается соотношением, приведенным в верхней части слайда. Данное выражение следует из формулы для эквивалентной емкости диэлектрика с предыдущего слайда.

Развитие частичных разрядов во времени существенно различается в случае приложения переменного и постоянного напряжения. Вначале рассмотрим частичные разряда в диэлектрике при воздействии напряжения промышленной частоты. Будем характеризовать дефект напряжением зажигания разряда Uвз и напряжением при котором разряд гаснет Uвп. При этом напряжение зажигания несколько выше напряжения погасания (см. формулу и рисунок на слайде). Напряжение на не пробитом включении растет изменяется по синусоидальному закон и в момент пробоя практически скачком убывает до напряжение погасания. После чего начинается новый подъем напряжения на включении пропорционально напряжении, приложенному к диэлектрику. Количество таких подъемов и пробоев, в

среднем приходящееся на единицу времени, определяет интенсивность частичных разрядов – см. формулу в рамке, где подсчитано число частичных разрядов на включении за полупериод напряжения промышленной частоты.

Формула получена как отношение полного изменения напряжения на включении за полупериод к величине скачка напряжения при разряде в дефекте.

Нетрудно получить выражения для энергии Wчр , рассеиваемой в одном частичном разряде через величину емкости включения и напряжения зажигания и погасания. Разделив эту величину на интенсивность разрядов, получим мощность, рассеиваемую на одном включении Рчр. Из полученной формулы следует зависимость рассеиваемой мощности, которую в некотором приближении можно считать пропорциональной частоте и величине приложенного напряжения.

Слайд 9.

Все виды разрушающего действия частичных разрядов перечислены на данном слайде. Здесь всевозможные химические и физические воздействия, приводящие при длительном существовании к появлению в области дефекта древовидного побега – дендрида.

Как уже отмечалось, частичные разряды классифицируются как начальные с уровнем кажущегося заряда порядка 1-10 пКл . При данном уровне частичных разрядов деградация изоляции происходит весьма медленно и разрушение изоляции может произойти спустя годы.

Критические частичные разряды характеризуется кажущимся зарядом свыше 1000 пКл. Появление критических частичных разрядов приводит к быстрому, в течение нескольких часов и даже минут, пробою изоляции.

Слайд 10.

Интенсивность частичных разрядов при постоянном напряжении существенно ниже по сравнению со случаем напряжения промышленной частоты. Это объясняется тем, что время восстановления напряжения после пробоя включения определяется постоянной времени заряда емкости пропорциональной удельному электрическому сопротивлению диэлектрика, которое весьма велико. Так, что следующий частичный разряд может произойти через минуты или часы. Таким образом при постоянном

напряжении при прочих равных условиях допустимы более высокие напряжения, прикладываемые к твердотельным изоляционным конструкциям.

Частичные разряды при импульсном напряжении принципиально не отличаются от случая напряжения промышленной частоты. При каждом приложении импульса напряжения возникает на включении серия частичных разрядов, продолжающаяся до тех пор, пока происходит рост абсолютной величины напряжения.