Надежность электрической изоляции

Если на электрическую изоляцию действуют случайные нагрузки, то для удобства расчетов их необходимо заменить на переменные. Для подсчета суммы безразлично, в какой момент времени действует та или иная нагрузка, важно, что она существует и воздействует на изоляцию в течение времени τi за один период эксплуатации.

Так как случайные нагрузки (температура, электрические и механические напряжения) являются непрерывными, то их заменяют дискретными следующим путем: весь диапазон нагрузок разбивают на интервалы, в котором непрерывную величину заменяют средним значением:

где xjп и xjл – значения случайной величины на правой и левой границах интервала.

Время действия xj

где τ – общая продолжительность действия случайной нагрузки за один период эксплуатации τп; F(xjп) и F(xjл) – функции распределения вероятностей нагрузки на правой и левой границах интервала соответственно.

Функция распределения вероятностей случайной нагрузки может быть задана аналитически, графически и в табличной форме.

Некоторые случайные нагрузки можно представлять их математическими ожиданиями. Например, температура окружающей среды является случайной величиной. Годовой график температур, построенный по результатам наблюдений за ряд лет в данной местности, является достаточно стабильным. Учитывая, что электрическая изоляция рассчитывается на ряд лет эксплуатации, целесообразно температуру окружающей среды представлять ее годовым графиком.

Входящая в выражения условия отказа вероятность отказа qi является случайной, так как коэффициент β, от которого зависит qi, является случайной величиной. Коэффициент β определяется распределением и характеристиками неоднородности в твердом теле. Таким образом, выражения условия отказа дают возможность вычислить время до отказа электрической изоляции при заранее заданном значении β, которое зависит от вероятности безотказной работы.

52

Прежде чем рассчитать время до отказа, следует определить β, т.е. задаться вероятностью безотказной работы (если она не оговорена заданием).

При действии на электрическую изоляцию в эксплуатации постоянных, переменных и случайных нагрузок расчет времени до отказа следует проводить таким образом, чтобы учесть действие всех нагрузок. В этом случае для упрощения расчетов целесообразно одну из нагрузок, имеющую сравнительно небольшие случайные отклонения, принять переменной. В большинстве случаев такой переменной вследствие большой тепловой инерционности целесообразно считать температуру изоляции.

Учитывая, что переменные и случайные нагрузки накладываются на постоянные, формулу условия отказа преобразуем к виду:

где τ – время до отказа изоляции; qi – вероятность разрушения изоляции в одну секунду при действии на нее температуры Ti и постоянных механического напряжения и напряженности электрического поля; τп – продолжительность периода (цикла) действия нагрузки; τj – время действия механического напряжения j-го уровня σj при температуре Ti; qijk – вероятность отказа (разрушения) изоляции при действии на нее температуры Ti, механического напряжения σj и напряженности электрического поля Ek; τk – время действия напряженности электрического поля Ek за

температуре Ti; N1 – число механических напряжений разного уровня за время τi; N2 – число электрических напряженностей поля разного уровня за время τj.

В формуле случайные нагрузки заменяются переменными. Формула позволяет рассчитать время до отказа электрической изоляции при различных действующих нагрузках при условии, что в электроизоляционном материале не наблюдается при эксплуатации изменение состава и структуры. Иными словами, формула справедлива в тех случаях, когда параметры электрической изоляции остаются в процессе эксплуатации неизменными или их изменениями вследствие малости можно пренебречь.

Если изменением электрических параметров пренебречь нельзя, то целесообразно пользоваться исходным уравнением условия отказа, в кото-

53

рое следует подставлять вероятность qi, подсчитываемую с учетом действия изоляции за время от ее включения до данного i-го интервала.

При подсчете суммы левой части исходного уравнения необходимо строго учитывать последовательность действия нагрузок. Указанный способ является громоздким, и не всегда можно с его помощью добиться высокой точности, так как процессы старения электроизоляционных воздействиях исследованы недостаточно. Неизвестны зависимости параметров электрической изоляции от времени старения и нагрузок.

Если в эксплуатации ожидается заметное старение электрической изоляции, то целесообразно найти границы срока службы, которые можно определить по конечной формуле, подставив значения параметров несостаренной и состаренной изоляции. При этом получают два расчетных времени до отказа изоляции: несостаренной – τн и состаренной τс, которые являются крайними значениями срока службы изоляции. действительный срок службы находится в промежутке между τс и τн.

2.7.Функция безотказной работы жидкой и газообразной изоляции

Вжидкостях и газах молекулы находятся в постоянном хаотическом тепловом движении. Время покоя молекул жидкости 10-9-10-12 с. Следовательно, жидкости и газы имеют постоянно изменяющуюся структуру. В этих условиях разрыв одной связи не всегда будет приводить к образованию канала пробоя. Действительно, если произойдет разрыв связи, то образовавшиеся радикалы будут перемещаться в объеме жидкости. При высокой подвижности радикалов создаются благоприятные условия их рекомбинации, с одной стороны, и, с другой стороны, местное электрическое поле, создаваемое у радикала, будет перемещаться в объеме, т.е. молекулы, на которое оно будет действовать, постоянно сменяются. Это приводит к малой вероятности разрыва последующих связей после разрыва первой, т.е. затрудняет развитие начавшегося разрушения. Для того чтобы разрушение развивалось в жидкости на весь межэлектродный промежуток, время развития должно быть сравнимо с временем покоя молекул. Иными словами, описание пробоя жидкостей и газов с позиций теромфлюктуационной теории возможно только в области большой напряженности поля и малых времен развития канала. Особенность поведения молекул жидкости и газов приводит к тому, что при временах, много больших времени жизни молекул, электрическая прочность не зависит от времени действия напряжения. Сказанное позволяет при расчете жидкой

игазовой электрической изоляции пользоваться ее пробивным напряжением, предполагая, что оно не зависит от времени эксплуатации.

54

Отказ газовой и жидкой изоляции при эксплуатационных воздействиях произойдет, когда электрическое напряжение, действующее на изоляцию, будет равно или превысит ее пробивное напряжение. К эксплутационным электрическим напряжениям, превышающим пробивное напряжение изоляции, относятся перенапряжения. Амплитуда перенапряжений, как и пробивное напряжение изоляции, является случайной величиной. Превышение амплитуды перенапряжений над пробивным напряжением изоляции будет событием случайным, вероятность которого определяется по формуле:

где P – вероятность превышения амплитуды перенапряжений над пробивным напряжением (вероятность пробоя изоляции при одном перенапряжении); f(Uпр) – плотность распределения вероятностей амплитуд перенапряжений.

Вероятность отсутствия пробоя изоляции при воздействии n перенапряжений:

Если число перенапряжений в единицу времени равно N, то вероятность безотказной работы за время τ:

Интенсивность отказов жидкой и газовой изоляции найдем по формуле:

Из этого следует, что отказы жидкой и газовой изоляции подчиняются экспоненциальному закону, при котором интенсивность отказов не зависит от времени.

55

3.УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

3.1.Классификация действующих на электрическую изоляцию на-

грузок

Работа электрической изоляции проходи в условиях одновременного действия на нее электрического поля, механических напряжений, температуры, химически активных веществ и других факторов. Воздействующие на электрическую изоляцию нагрузки с течением времени не остаются постоянными. Комбинации различных воздействий на электрическую изоляцию изменяются случайным образом. Таким образом, в каждый момент времени комбинация нагрузок на электрическую изоляцию будет различной, что приведет к изменению срабатывания ее ресурса. Правильный учет действующих эксплутационных нагрузок является важной практической задачей.

Все нагрузки, действующие на электрическую изоляцию, подразделяются на:

1)Постоянные. Постоянные нагрузки не изменяются в процессе эксплуатации. При анализе работы электроизоляционной конструкции некоторые нагрузки, мало меняющиеся со временем, можно принимать постоянными.

2)Переменные. Переменной нагрузкой называют такую нагрузку, для которой можно заранее указать ее значение, продолжительность ее действия и момент появления. Характерной особенностью переменной нагрузки является функциональная зависимость ее от времени. Она может быть задана в виде аналитической функции, таблицы или графика.

3)Случайные. Случайной нагрузкой называют такую нагрузку, для которой значение, время действия и момент появления заранее указывать нельзя и можно только с некоторой вероятностью утверждать, что в та- кой-то момент времени действие определенной нагрузки возможно. При расчете срока службы электрической изоляции, действующие случайные нагрузки заменяют либо постоянными, либо переменными.

3.2. Электрические напряжения

Электрические напряжения, действующие на изоляцию в процессе эксплуатации можно разделить на две группы: рабочие напряжения и перенапряжения. Рабочее напряжение относится к постоянным нагрузкам. Перенапряжения являются нагрузками случайными и в зависимости от причин, их вызывающих, делятся на внутренние и внешние.

56

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов.

Внутренние перенапряжения можно подразделить на резонансные и коммутационные. При резонансных перенапряжениях повышение напряжения на изоляции возникает в результате резонанса на основной или повышенной частоте в линии электропередачи. Коммутационные перенапряжения появляются в результате внезапных изменений схемы или параметров сети. Типичными коммутациями являются отключения и включения линий, трансформаторов и других элементов сети, а также замыкания на землю и между фазами.

Внешние перенапряжения возникают в результате воздействия на линию электропередачи или другие объекты системы внешних ЭДС. Внешние перенапряжения возникают либо за счет атмосферного электричества ,либо из-за влияния близко расположенных электрических объектов более высокого напряжения. Первые получили название грозовых перенапряжений и оказывают наиболее существенное воздействие на работоспособность изоляции линий электропередачи и подстанций. Вторые при правильном проектировании системы могут быть либо полностью устранены, либо значительно уменьшены. Причиной грозовых перенапряжений является разряд молнии.

3.3. Температурные условия работы

Температура электрической изоляции определяется температурой окружающей среды, тепловыделениями в электроизоляционной конструкции и условиями теплоотдачи, нагревом от внешних источников тепловой энергии.

Для определенной климатической зоны и в зависимости от места размещения оборудования температура окружающей среды зависит от времени года и суток. Поэтому при правильном подходе к расчету электрической изоляции необходимо иметь данные не только о предельных температурах, но и о продолжительности действия температур.

Тепловыделения в электроизоляционных конструкциях складывается из потерь энергии в токопроводящих частях и в электрической изоляции.

Температура электрической изоляции повышается при наличии внешних источников тепловой энергии. К таким источникам относятся близко расположенные нагревательные приборы, работающее электрооборудование, солнечное излучение и другие.

57

3.4. Механические напряжения

По своей природе механические напряжения, действующие на изоляцию, можно подразделить на внешние и внутренние.

Внешние механические напряжения возникают в изоляции от действия приложенных к электроизоляционным конструкциям сил: натяжения проводов линий электропередачи, силы ветрового напора, нагрузки от гололеда ,веса закрепленных на изоляции конструкций и собственно изоляции, нагрузки от избыточного внутреннего или внешнего давления среды и др.

Внутренние механические напряжения – это напряжения, развиваю-

щиеся в изоляции за счет внутренних процессов, которые происходят при ее изготовлении и эксплуатации. Примером могут служить температурные механические напряжения, возникающие из-за неравномерного охлаждения или нагрева отдельных участков изоляции. При быстром нагреве или охлаждении внутренние механические напряжения могут возникать из-за значительного градиента температур.

При больших механических нагрузках в изоляции может возникать ее растрескивание, приводящее к отказу электроизоляционной конструкции.

3.5. Прочие воздействия. Выбор расчетных условий эксплуатации

Электрическая изоляция в эксплуатации кроме ранее рассмотренных электрических, механических и тепловых нагрузок испытывает действие влаги, химически активных веществ, живых организмов, пыли и загрязнений, которые вызывают изменение свойств электрической изоляции и, как правило, ускоряют ее отказ.

Поглощение электроизоляционным материалом влаги приводит к изменению его свойств: повышению электрической проводимости, емкости и диэлектрических потерь. Неравномерное распределение воды по объему материала приводит к появлению больших локальных полей, что снижает электрическую прочность электрической изоляции и ее долговечность.

Таким образом, увлажнение электроизоляционного материала является нежелательным явлением, которое приводит, как правило, к снижению срока службы электрической изоляции.

Химически активные вещества вступают в реакцию с электроизоляционными материалами, вызывая тем самым изменение их химического состава и структуры, а следовательно, и свойств. Скорость протекания реакции увеличивается при повышении температуры, действии механических напряжений и электрических полей.

58

Живые организмы оказывают влияние на отказы электроизоляционных конструкций, которые могут разрушаться под действием крупных млекопитающих и птиц, мелких млекопитающих, насекомых, микроорганизмов, грибков, грибковой плесени.

Крупные млекопитающие могут вызывать механическое повреждение электроизоляционных систем, а также короткое замыкание в энергоустановках, замыкая своим телом электроды, находящиеся под разными потенциалами.

Грызуны способны повреждать электроизоляционные материалы из пластмассы, например оболочки кабелей из поливинилхлорида.

Некоторые виды насекомых разрушают органическую изоляцию из растительных волокон (клетчатку), поедая ее.

При повышенной температуре и высокой влажности на органических электроизоляционных материалах (клетчатке) могут развиваться бактерии и грибковая плесень. При этом в результате действия микроорганизмов и грибковой плесени свойств электроизоляционных материалов ухудшаются: волокна грибковой плесени впитывают и связывают воду; при жизнедеятельности отдельных организмов образуются химически активные продукты; на поверхности и в объеме изоляции образуются электропроводящие участки.

Наиболее интенсивно развитие микроорганизмов и плесени происходит во влажном тропическом климате. С целью защиты электроизоляционных материалов от действия грибковой плесени и насекомых применяют фунгициды, т.е. вещества, отпугивающие или препятствующие развитию живых организмов.

В воздухе всегда содержится значительное количество пыли. Пыль, в том числе снежная, оказывает абразивное действие на поверхность электроизоляционных материалов. Пыль повреждает защитные покрытия, делает поверхность изделий шероховатой. Оседая на поверхности электроизоляционных конструкций, пыль может вызывать их химическое разрушение, а также образовывать проводящий слой. Увлажненные загрязнения, как правило, снижают поверхностное сопротивление изоляции.

Некоторые электроизоляционные конструкции могут подвергаться действию излучений от солнечных лучей в области видимой и ультрафиолетовой части спектра, жестких излучений от ускорителей, ядерных реакторов и т.д. Действие жестких и ультрафиолетовых излучений на электроизоляционные материалы вызывает образование в них радикалов, дефектов, физико-химических превращений. Под действием излучений ускоряется химическая реакция материалов с химически активными веществами. Вторичным проявлением длительного действия излучения яв-

59

ляется, как правило, ухудшение свойств электроизоляционных материалов.

Проведенный анализ показывает, что условия эксплуатации электроизоляционных конструкций разнообразны. Существенно могут меняться климатические условия эксплуатации электроизоляционных конструкций. При проектировании отдельных видов изделий целесообразно производить детальный учет всех действующих нагрузок.

Изделия, производимые серийно, целесообразно проектировать на некоторые усредненные условия эксплуатации. Такой подход позволяет унифицировать выпускаемое оборудование, что значительно сокращает число маркоразмеров изделий. Изготовление изделий крупносерийными партиями уменьшает их стоимость. Конкретные условия работы изделия следует учитывать при их выборе.

Для всех групп электроизоляционных изделий проводятся испытания с целью установления показателей надежности их работы. Подробно методы испытания электрической изоляции рассматриваются в соответствующем курсе.

Наиболее важным испытанием на надежность является испытание напряжением. Испытательные напряжения электрической изоляции выбираются из трех предпосылок:

1)Наибольших действующих напряжений в эксплуатации;

2)Выявляемости дефектной изоляции;

3)Отсутствия заметного ухудшения изоляции в процессе испытания. Внутренняя изоляция, содержащая органические электроизоляционные

материалы, при воздействии повышенных напряжений может заметно ухудшить свои свойства. Так, появление частичных или поверхностных разрядов в органической изоляции при испытании может привести к ускоренному отказу конструкции в эксплуатации. Однако эти дефекты не всегда выявляются в процессе испытания. Электрическая изоляция, не подвергнутая испытанию, могла бы работать в эксплуатации длительный промежуток времени. Поэтому испытательное напряжение органической внутренней изоляции принимают всегда меньше действующих на нее в эксплуатации перенапряжений.

Испытания органической изоляции повышенным напряжением проводят с целью выявления грубых дефектов, которые могут появиться при ее изготовлении. Естественно, чем выше испытательное напряжение, тем более полно выявляются дефекты в изоляции, и, казалось бы, выше должна быть гарантия ее работоспособности. Но чем выше приложенное испытательное напряжение, тем больше вероятность частичного разрушения (не завершающегося при испытании) бездефектной изоляции, т.е. тем больше вероятность повреждения здоровой изоляции. Последнее за-

60