Надежность электрической изоляции

пример, канал пробоя газовой (воздушной) изоляции после отключения ее от источника питания ликвидируется и электрическая прочность газового промежутка принимает первоначальное значение за небольшой промежуток времени. Самовосстановление первоначальной электрической прочности имеет место и в некоторых типах конденсаторов. Вероятность безотказной работы самовосстанавливающейся изоляции:

где Q(τ) – вероятность отказа изоляции (вероятность пробоя); QВ(τ1) – вероятность восстановления первоначальной электрической прочности за

время τ1.

Время τ1 для газовой изоляции воздушных линий электропередачи и подстанций равно времени между отключением и повторным включением участка, где имел место пробой изоляции. Обычно это время составляет 2-3 с.

2.2. Вывод уравнения "кривой жизни" электрической изоляции

Уравнение "кривой жизни" – это зависимость времени до разрушения твердой электрической изоляции от воздействующих на нее электрического поля, механического напряжения, температуры, агрессивных сред и т.д. Теоретическое уравнение "кривой жизни" электрической изоляции получим на основе термофлуктуационной теории разрушения твердых тел. Согласно этой теории разрыв связей в материале происходит за счет тепловой энергии атомов, образующих связь. Разрыв связи наступит при условии, что тепловая энергия будет равна или превысит энергию взаимодействия атомов. В последующие моменты времени может произойти рекомбинация, т.е. восстановление разорванной связи. Если на связи материала действует только тепловая энергия, то концентрация разорванных связей не меняется, т.е. сохраняется динамическое равновесие: число разрываемых связей в единицу времени равно числу рекомбинируемых. Таким образом, только тепловое действие в пределах рабочих температур не может вызвать разрушение материала.

Действие механической силы приводит к увеличению расстояния между атомами, что вызывает уменьшение энергии взаимодействия между ними, т.е. энергия, необходимая для разрыва связи, снижается. Таким образом, механическая сила понижает потенциальный барьер и облегчает разрыв связи под действием тепловой энергии. Одновременно затрудняется рекомбинация разорванной связи, так как под действием механической силы расстояние между атомами увеличивается.

31

Согласно термофлуктуационной теории механическая сила облегчает разрыв, но не разрывает связь. Разрыв связи осуществляется за счет тепловой энергии колебаний атомов, образующих связь.

Энергия, которую необходимо затратить на разрыв связи V, равна разности между максимальным и минимальным значениями потенциальной энергии, т.е.:

где r1 и r2 – расстояния между атомами при максимуме и минимуме потенциальной энергии.

Обозначим:

где x – безразмерная характеристика нагрузки; a – постоянный коэффициент, связанный с ангармоничностью колебаний атомов; f – растягивающая сила, действующая на связь; D – энергия диссоциации связи.

Тогда:

где φ(x) является функцией нагрузки, действующей на связь и показывающей относительное уменьшение потенциального барьера, вызванное растягивающей силой в связи.

Вероятность разрыва связи в единицу времени за счет флуктуации тепловой энергии колебаний атомов

где 1/τ0 – частота собственных колебаний атомов; k – постоянная

V

Больцмана; T – абсолютная температура; e 2kT - вероятность разрыва связи за одно колебание.

32

Разорванная связь в последующем может рекомбинировать. Предположим, что вероятность рекомбинации не зависит от действующей растягивающей силы. В действительности при увеличении растягивающей силы вероятность рекомбинации должна уменьшаться, так как растягивающая сила приводит к возрастанию расстояния между атомами. Таким образом, сделанное предположение приводит к увеличению вероятности рекомбинации разорванных связей. Однако при этом вероятность рекомбинации можно определить при растягивающей силе, равной нулю. При отсутствии внешних сил в материале сохраняется динамическое равновесие, т.е. число разорванных связей в единицу времени равно числу рекомбинируемых. Иными словами, вероятность рекомбинации связи равна вероятности ее разрыва при растягивающей силе, равной нулю, т.е.

Найдем вероятность того, что разрываемая связь не рекомбинирует:

Учитывая, что даже при небольшой силе φ(x), меньшей единицы, первый член в скобках на несколько порядков больше второго, без особо большой погрешности вторым членом можно пренебречь, т.е. пренебречь рекомбинацией связи. Последнее будет правильным, если сила f отличается от нуля. Таким образом, вероятность разрыва связи и ее достаточно длительного существования в разорванном состоянии

При действии механической нагрузки:

где γ – структурно-чувствительный коэффициент, который численно равен объему полимера, приходящегося на одну нагруженную связь основной цепи; σ – механическое напряжение.

33

такому же увеличению свободной энергии, как и одновременно действующие электрическое поле и механическое напряжение.

Разрыв связей в электрической изоляции произойдет в области наибольшей местной напряженности поля. В реальной электрической изоляции местная напряженность поля превышает среднюю за счет неоднородности электроизоляционного материала и неравномерности поля, создаваемого электродной системой, т.е.:

где β – коэффициент неоднородности электроизоляционного материала, численно равный отношению наибольшей напряженности поля, имеющей место у неоднородностей, к средней для условий равномерного поля, создаваемого электродной системой; η – коэффициент неравномерности поля, создаваемого электродной системой; E – средняя напряженность поля, равная отношению приложенного напряжения к межэлектродному расстоянию.

Окончательно получаем:

Здесь:

Условие разрыва связи в материале получим как условие наступления достоверного события, т.е.

где τ – время до разрыва связи.

Предполагается, что вероятность q не зависит от рассматриваемого промежутка времени. Это предположение означает, что с течением времени вплоть до разрыва связи структура материала и его состав остаются неизменными. Иными словами, процесс старения не учитывается. Как показывают опыты, во многих случаях процессом старения электроизоляционных материалов при эксплуатации конструкций можно пренебречь. Если же происходит весьма заметное старение электроизоляционного материала, то условие разрыва связи имеет вид:

35

службы электрической изоляции. Старение электроизоляционных материалов наиболее интенсивно происходит в присутствии кислорода воздуха и агрессивных сред. Электрическая изоляция в конструкциях защищается от действия кислорода и агрессивных сред, т.е. в этих условиях процесс старения электроизоляционных материалов если и происходит, то очень медленно.

Погрешность от пренебрежения процессом рекомбинации при определении времени до разрушения изоляции будет менее 5%. Для большинства практических конструкций коэффициент запас, равный отношению электрической прочности к рабочей напряженности, обычно меньше 40. Действие растягивающей механической силы, увеличивает x, что приводит к уменьшению φ(x) и времени до разрушения.

В электрической изоляции довольно часто применяют повышенное давление с целью увеличения ее электрической прочности. При повышении давления происходит, с одной стороны, уплотнение электроизоляционного материала. С другой стороны, при всестороннем сжатии свободная энергия тела уменьшается. Все это приводит к уменьшению x при всестороннем сжатии, и, соответственно, возрастанием времени до разрушения электрической изоляции.

2.3. Частичные разряды в твердой изоляции

Частичные разряды – это разряды в газовых включениях твердой или жидкой изоляции. В процессе изготовления в твердой изоляции остаются поры и расслоения, заполненные газом. Газовые включения в изоляции могут возникать и в процессе эксплуатации в результате резких смен температур, неполных пробоев, растрескивания под действием механических нагрузок. Твердая изоляция с газовым включением представляется простейшей схемой замещения, приведенной на рис. 7.

Напряжение на газовой полости в соответствии со схемой замещения

37

Так как относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков εr2 больше диэлектрической проницаемости газов εr1, то напряженность поля в газовой полости будет выше, чем средняя напряженность поля в электрической изоляции. Если напряженность поля в полости достигнет электрической прочности, то произойдет разряд в газе. Электрическая прочность воздуха не зависит от того, подводится ли напряжение к слою непосредственно металлическими электродами или же слой воздуха находится между диэлектрическими поверхностями. Электрическая прочность воздуха в газовой полости возрастает с уменьшением толщины и диаметра полости. Зависимость электрической прочности воздуха от толщины зазора выражается следующей приближенной формулой:

где Eпр – в вольтах на метр, а d1 – в метрах.

Приложенное к изоляции напряжение, при котором возникает разряд в газовом включении, получило название напряжение возникновения частичного разряда. Если U1 будет равно пробивному напряжению газа в полости, получим:

где Uч – напряжение возникновения частичных разрядов; Eпр – электрическая прочность газа в полости.

При разряде в газовой полости происходит нейтрализация заряда, накопившегося на ее поверхности. Напряжение на газовой полости в месте разряда падает практически до нуля. Продолжительность разряда составляет 10-8-10-9 с. После прекращения разряда происходит рекомбинация ионов, напряжение на полости восстанавливается и возникает новый разряд. Частота следования разрядов на постоянном токе определяется скоростью заряда емкости полости через сопротивление последовательно включенного слоя твердого диэлектрика, приложенным напряжением и формой полости. При переменном напряжении число частичных разрядов в единицу времени составляет:

39

где n1 – число частичных разрядов в единицу времени; ω/2π – частота переменного тока; U – приложенное к изоляции напряжение; Uч – напряжение возникновения частичных разрядов.

Формула справедлива при U>>Uч. Если U<Uч, то n1=0. Разряд в газовой полости сопровождается образованием свободных электронов и ионов, которые движутся по направлению к ее стенкам, возбуждением молекул и рекомбинацией зарядов. Энергия электрического поля, накопленная в полости перед разрядом, будет превращаться в энергию заряженных частиц, тепловую, акустическую, электромагнитную и другие виды энергии. Значительная часть энергии газового разряда поглощается окружающим твердым диэлектриком, что вызывает повышение его температуры.

Наибольшее повышение температуры диэлектрика будет иметь место в зоне мгновенных катода и анода, где выделяется наибольшее количество энергии во время разряда. Время выделения энергии составляет 10-8-10-9 с., т.е. равно времени разряда. Мгновенная температура заметно отличается от среднего значения, до которого нагревается весь объем диэлектрика.

Разряд в газовой полости вызывает перераспределение электрического поля. Если до разряда наибольшая напряженность поля имела место в газовой полости, то в период разряда за счет резкого увеличения проводимости разрядного канала наибольшая напряженность поля возникнет в твердом диэлектрике у мгновенных катода и анода. Электроны и ионы бомбардируют стенки полости и, передавая энергию молекулам твердого тела, вызывают их разрушение с образованием ионов и радикалов. Одновременное действие активных химических продуктов, образующихся в разряде (озона, атомарного кислорода, окислов азота и т.д.), создает условия для изменения состава и структуры материала.

Таким образом, под действием частичного разряда происходит постепенное разрушение электрической изоляции, которое завершается пробоем.

Разрушающее действие частичных разрядов является суммой одновременно действующих факторов:

1)повышения температуры диэлектрика в месте действия разряда,

2)высокой местной напряженности поля в области мгновенных катода и анода,

3)бомбардировки стенок полости электронами и ионами,

4)излучения возбужденных и рекомбинирующих атомов и молекул,

5)реакции с химически активными продуктами.

40