книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

Расчет электростатического поля у емкостного кольца произво­ дится обычно методом физического моделирования с помощью электро­ литической ванны или полупроводящей бумаги. В трансформаторах высших классов напряжения с целью уменьшения максимальной: напряженности поля поверхность емкостных колец выполняется с закруглением радиусом до 40-1-50 мм. При этом наибольшая напря­

при которой у края обмотки начнутся ч. р., от размеров 5 и г имеет вид

В масляных «клиньях», образующихся в тех местах, где изолиро­ ванные токоведущие части (провод обмотки, емкостное кольцо, отвод и др.) в местах изгибов опираются на картонные изоляционные детали, напряженность электрического поля имеет значительную касательную' составляющую к поверхности картона. Пробой масла (ч. р.) в таком месте может возникнуть при небольшом напряжении и далее разви­ ваться по поверхности изоляции в виде скользящего разряда.

150

Зависимости напряжения критических ч. р. от расстояния между электродами а при различной толщине изоляции катушек и различ­ ном расстоянии b между катуш­

ками одного потенциала приве­ дены на рис. -8.5. Обследование поля у края электрода при раз­ личных толщинах изоляции на модели в электролитической ван­ не показало, что напряженность в масляной прослойке проходит через максимум на некотором удалении от начала масляного зазора.

Характерное распределение напряженности по поверхности изоляции у масляного клина при­ ведено на рис. 8.6. Обследова­ ние поля при различных расстоя­ ниях между обмотками а и раз­ личных расстояниях между ка­

75кв/см.

б.Разрушение маслобарьериой изоляции частичными

разрядами. Ползущий разряд

Электрическое старение маслобарьерной изоляции заключается в том, что в результате начальных ч. р. малой интенсивности происходит разложение масла, сопровождающееся выделением газа (главным «образом водорода) и образованием тяжелых смолистых веществ, ча­ стично выпадающих из масла и оседающих на поверхности изоляци­ онных деталей или на дне бака в виде черного шлама. Образование газа опасно тем, что возможно скопление этого газа в таких узлах изоляции, откуда выход пузырей затруднен. С течением времени газо­ вый пузырь может достичь таких размеров, что в нем самом начнутся ч. р. высокой интенсивности, которые будут способствовать дальней­ шему газовыделению и могут разрушить твердую изоляцию. Образо­ вание шлама, частично растворяющегося в масле и частично оседаю­ щего на поверхности изоляции, опасно тем, что увеличивается tg б изоляции в целом и ухудшается отвод тепла с поверхности изоляции.

Напряженность возникновения начальных ч. р. в маслобарьерной изоляции сильно зависит от технологии изготовления. Если изоляция

151

хорошо высушена, пропитана маслом под вакуумом (остаточное дав­ ление рост< \мм pm. cm.) и не соприкасалась с воздухом после про­ питки, то средняя напряженность начальных ч. р. в масляном канале на уровне ІО-11 к составляет Еп = 60-!-80 кв/см. Такая же изоляция* находившаяся после пропитки несколько часов на воздухе и после этого снова залитая маслом при остаточном давлении рост=10 мм рт. cm., имеет Еп =40-!-45 кв/см.. При заливке маслом без вакуума £ н = 2 5 -і-30 кв/см. Некачественная сушка, приводящая к увеличению влагосодержания в изоляции, также приводит к снижению напряже­ ния частичных разрядов.

Интенсивность слабых начальных ч. р. в маслобарьерной изоля­ ции лежит в пределах от 10-12 до 10“ 10 к. Если эти разряды происхо­ дят даже вблизи поверхности бумаги и картона, то с их воздействием на твердую изоляцию можно не считаться. Весьма длительное (в те­ чение нескольких лет) воздействие начальных ч. р. на бумагу и картон приводит только к отложению на поверхности нерастворимого шлама (Х-воска). Шлам с поверхности легко смывается, и изоляция остается вполне работоспособной.

Более интенсивные ч. р. на уровне 10- "-2- ІО-8 к чаще всего воз­ никают при пробоях масляной прослойки, узкого масляного клина

Рис. 8.7. Фотография прокладки со следами ползущего разряда

или больших газовых пузырьков с диаметром более 1 мм. Такие пов­ торяющиеся пробои вызывают обильное газовыделение и развитие разрядов вдоль поверхностей картона или в его толще. При этом воз­ можно появление сильно разветвленного обугленного канала по по­ верхности или в толще электрокартона, захватывающего большие поверхности (десятки квадратных дециметров) и получившего назва­ ние «ползущего разряда». На рис. 8.7 приведена фотография изоля­ ционной прокладки, находившейся в зоне развития такого разряда. Ползущий разряд имеет очень малую скорость продвижения. Путь длиной в 5 -МО см такой разряд проходит за время от нескольких минут до нескольких десятков часов. Он развивается, как правило, в узкой щели между двумя прижатыми друг к другу поверхностями изоляционных деталей или в толще электрокартона между его слоями.

Физическая природа ползущего разряда заключается в следующем. Конец разрядного канала закорачивает узкий масляный зазор, напри­ мер между выступающим переходом обмотанного изоляцией провода и картонным цилиндром. Этот разрядный канал имеет высокую тем­ пературу, при которой может возникнуть обугливание картона вдоль

152

канала. Его можно рассматривать как проводник, на конце которого резко увеличивается напряженность электрического поля и образу­ ются новые частичные пробои в масле, новое обугливание картона и т. д. Весь процесс имеет пульсирующий характер: при пробое нового участка возрастает ток, с ростом тока увеличивается падение напря­ жения в канале и падает напряжение на продвигающемся конце ка­ нала. При этом поле у конца ослабевает и пробои масла прекращаются. Соответственно уменьшается падение напряжения на обугленном кар­ тоне и вновь возрастает напряженность поля у конца канала разряда. Для продвижения ползущего разряда большое значение имеют газо­ вые пузыри, образовавшиеся у конца канала за счет разложения масла. В этих пузырях очередные частичные разряды происходят при мень­ шем напряжении, чем в масле. Так можно объяснить предпочтительное развитие ползущего разряда в щелях или даже в толще картона, от­ куда газовые пузыри не могут быстро уйти.

в. Связь между интенсивностью частичных разрядов и разрушением изоляции

Для маслобарьерной изоляции весьма сложно установить связь между количественными характеристиками ч. р. и разрушением изоля­ ции. Частичные разряды с голых металлических частей в масле могут быть практически безопасными и их можно не принимать во внима­ ние. То же может быть в случае ч. р. в маслобарьерной изоляции в местах, где масло постоянно циркулирует. Однако для мест изоляции, в которых циркуляция масла затруднена, возникновение ч. р. может вызвать необратимый процесс и привести к повреждению изоляции; типичным примером является ввод с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа.

Если в изоляции возможно образование локальных газовых вклю­ чений за счет разложения масла вследствие ч. р., то определяющим следует считать мощность ч. р. Рч р. или ток ч. р. Л,. v.=q4. р.яч. р., где q4. р-— кажущийся заряд ч. р. и пч_р-—число разрядов в секунду. Если же повреждение изоляции может быть вызвано каждым единич­ ным ч. р., то повреждение изоляции целесообразно связать с харак­ теристиками единичного ч. р.: зарядом q4, р и энергией W4, р..

Если стример, развивающийся в масляном канале, распространится на весь масляный канал и достигнет барьера из электроизоляционного материала, то вблизи кончика стримера возникает значительная на­ пряженность и образуются скользящие разряды вдоль поверхности барьера.

Движение электронов вдоль канала разряда приводит к разогреву канала за счет_ столкновений электронов с молекулами жидкости. Наибольшая температура достигается у основания стримера, через которое проходит наибольшее число электронов. Энергия, переданная электронами стримера молекулам жидкости, расходуется в основном на увеличение кинетической энергии молекул жидкости, т. е. на повы­ шение температуры. Когда последняя достигнет температуры кипения, произойдет местное вскипание жидкости и образование высокопрово­

153

дящего канала лидера в газе (плазмы) с весьма малым падением напря­ жения. Такой канал ограниченной длины вызывает резкое увеличение напряженности поля у его границы и возникновение более интенсив­ ных скользящих разрядов по поверхности изоляционного барьера. Там, где канал разряда, имеющий высокую температуру, касается по­ верхности изоляционного барьера (электрокартона, изоляционной бумаги), масло, пропитывающее картон или бумагу, испаряется и образуются белые побеги, исчезающие вскоре после прекращения разряда. Если энергия, выделяющаяся в канале разряда, доста­ точно велика, то температура канала может достигать нескольких тысяч градусов, в результате чего на поверхности изоляции, по кото­

5000ч7000° К <7т =:10"° к. Ч. р. с такой интенсивностью недопусти­ мы ни при испытаниях трансформаторов, ни в эксплуатации.

По экспериментальным данным, в силовых трансформаторах пр и рабочем напряжении имеют место ч. р. с интенсивностью от 3- 10“ 12 и до 3-10-0 к. Длительное существование ч. р. с интенсивностью ІО-11 -г-10-10 к при рабочем напряжении не приводит к заметным повреждениям изоляции и, по-видимому, является безопасным. Дли­ тельное существование (в течение десятка часов и более) ч. р. с ин­ тенсивностью 10-9ч- 10-8 к приводит к появлению следов на картоне; несколько импульсов с интенсивностью 10-7 4- ІО-8 к вызывает обуг­ ливание картона.

Весьма показательным является регистрация относительного из­ менения интенсивности ч. р. в зависимости от напряжения в области от 0,8 t/pa6 до UHcn. Наблюдаемое иногда резкое повышение интен­ сивности ч. р. не должно происходить при напряжении £/=^(1,34- 4-1,4) £Ураб. При этом во всех случаях интенсивность ч. р. при испы­ тательном напряжении не должна превышать ІО-7 к.

г. Частичные разряды в маслобарьерной изоляции при постоянном напряжении

Постоянное напряжение распределяется между элементами масло­ барьерной изоляции весьма неравномерно, причем масляный канал не несет практически никакой электрической нагрузки, так как у масла проводимость на 2—3 порядка больше, чем у пропитанногокартона и бумаги. Почти все воздействующее на изоляцию постоянное напряжение ложится на картон барьеров и на бумажную изоляцию проводов обмотки и других токоведущих частей. Потенциалы по­ верхностей барьеров и других изоляционных деталей могут приниматьпри этом различные значения и возможно образование большой разно-

154

так, чтобы обеспечить перекрытие лент данного слоя лентами сосед­ него слоя на две трети ширины ленты. При наложении ленты с поло­ жительным перекрытием это перекрытие должно быть не менее поло­ вины (полнахлеста).

Размеры масляных прослоек в листовой изоляции зависят в ос­ новном от плотности прилегания листов бумаги друг к другу и к электродам. Для уменьшения толщины этих прослоек в конденса­ торах после сушки изоляции производят опрессовку секций под дав­ лением 5-М 0 кгс/см2. При намотке бумажных цилиндров плотность прилегания слоев достигается за счет натяжения бумаги.

В ленточных слоях число и размеры масляных прослоек зависят от толщины бумаги, степени перекрытия и плотности намотки. При отрицательном перекрытии в изоляции образуются масляные про­ слойки между краями лент. Толщина этих прослоек при идеально плотной намотке не меньше толщины бумажной ленты. При совпадении зазоров в двух соседних слоях (повивах) прослойка не меньше двой­ ной толщины ленты. На практике встречается и большее число совпа­ дений бумажных лент, что приводит к появлению в изоляции значи­ тельных по толщине масляных прослоек. Во избежание существен­ ного ослабления электрической прочности изоляции в местах совпа­ дения зазоров в соседних слоях обычно нормируют максимально допустимое число таких совпадений. При намотке лент с положитель­ ным перекрытием такое совпадение зазоров в соседних повивах ис­ ключается, но толщина масляных прослоек у края ленты также не может быть менее ее толщины.

Помимо масляных прослоек в местах зазоров между краями лент прослойки образуются между прилегающими друг к другу поверх­ ностями ленты за счет неизбежных неплотностей при намотке.

б. Частпчпые разряды при переменном напряжении

Начальные частичные разряды в бумажно-масляной изоляции воз­ никают вследствие пробоя масляных пленок, так как в хорошо вы­ сушенной и пропитанной минеральным маслом бумажной изоляции

;нет пузырьков воздуха или какого-либо другого газа. Пропитка изоля­ ции производится обычно при остаточном давлении от 0,001 до 1 мм pm. cm., в результате чего в изоляции остается от 0,001 до 0,1% газа (воздуха). Растворимость воздуха в нефтяных маслах при темпера­ туре 20° С составляет около 10% по объему, поэтому весь оставшийся газ будет растворен в пропитывающем составе. Газовые включения могут образоваться либо при интенсивном разложении масла вслед­ ствие электрических разрядов, либо в случае резких колебаний тем­

пературы диэлектрика.

Начальные ч. р. возникают прежде всего на краю электрода, где напряженность поля наибольшая. Это подтверждается появлением следов в области края электрода на фотопленке, помещенной в изо­ ляцию, или прямым наблюдением с помощью фотоэлектронного умно­ жителя, регистрирующего свечение, вызванное ч. р.

156

При переменном напряжении напряженность в масляной прослой­ ке выше, чем в бумаге. Рассмотрим эквивалентную схему бумажно­ масляной изоляции, изображенную на рис. 8.9.

Отличие напряженности в масляной прослойке от средней зависит от соотношения между толщинами масляной прослойки би и слоя бу­ маги бб. Для эквивалентной схемы, приведенной на рис. '8.9, а, имеем

может привести к появлению больших масляных прослоек. При 6М« бб.

масляной прослойки бм тем меньше, чем меньше толщина бумаги 8б. Так как пробивная напряженность масла растет с уменьшением толщины прослойки, то изоляция из более тонкой бумаги имеет более высокую напряженность частичных разрядов (рис. 8.10).

Увеличение плотности бумаги вызывает следующие изменения электрических характеристик бумажно-масляной изоляции. С одной стороны, с увеличением плотности возрастает электрическая проч­ ность листов бумаги, так как повышается содержание клетчатки в листе, сокращаются размеры элементарных масляных каналов в бумаге и увеличивается их электрическая прочность. С другой сто­ роны, увеличение плотности приводит к росту диэлектрической про­

157

Зависимость диэлектрической проницаемости от плотности бумаги приведена на рис. 8.11. Возрастание диэлектрической проницаемости бумаги сопровождается увеличением напряженности в масляных прослойках и облегчает возникновение ч. р. Вследствие этого влия­ ние плотности бумаги по-разному сказывается на кратковременной и

длительной прочностях изоляции. Крат­ ковременная прочность определяется главным образом прочностью бумаги и увеличивается с увеличением плотности бумаги. Для длительной прочности ча­ стичные разряды в масляных прослой­ ках играют определяющую роль. Уве­ личение плотности бумаги приводит к снижению напряжения (напряженности) частичных разрядов и сокращению срока службы изоляции.

Развитие начальных ч. р. в масляных прослойках бумажно-масляной изоляции при длительном воздействии напряжения может привести к появлению критических ч. р. Переход начальных ч. р. в критиче­

ские для слоистой изоляции, пропитанной жидким диэлектриком, происходит тогда, когда количество газов, выделяющихся из жидкости в единицу времени под воздействием ч. р., становится больше, чем поглощающихся. Это сразу приводит к резкому возрастанию интенсив­ ности ч. р. на 2—3 порядка. Возникают критические ч. р., существен­ но разрушающие изоляцию, вследствие чего понижается напряжение возникновения ч. р.

масле Н0 — 0,04Ѵжр, где р —давление воздуха окружающей среды, am. Количество газов, выделяющихся в секунду вследствие частичных разрядов, пропорционально потерям на ч. р. /гч. р = Врч< , где В — количество газов, выделяющихся при разложении жидкого диэлек­ трика частичными разрядами с энергией в 1 дж.

Критические ч. р. возникают при условии

При напряжении критических ч. р. количество поглощенных газов •ограничено поглощающей способностью жидкого диэлектрика. Решив уравнение (8.5), имеем:

158

а условие (8.6) принимает вид h4. p^ ß H 0. В области начальных ч. р.

объеме имеет место непрерывное уменьшение величины ht. Поэтому

до минимального значения от величины приложенного напряжениян вычисленная по (8.9) при (Унр= 2 (/Н, приведена на рис. 8.12.

Если воздействие критических ч. р. было достаточно кратковре­ менным и, например при перенапряжениях, в течение дальнейшей; работы ч. р. не происходят или изоляция не находится под напряже­ нием, то образовавшиеся газовые включения растворяются в масле и напряжение ч. р. восстанавливается. Если количество газовых вклю­ чений ограничено (не превосходит 3-М% от объема масла), то изоля­ ция может полностью восстановить свои первоначальные характери­ стики.

На рис. 8.13 показано восстановление напряжения t/Kp крити­ ческих ч. р. в образцах ленточной изоляции из кабельной бумаги после воздействия перенапряжения и снижения t/Kp до минимальной, величины £/МІШ.

Развитие частичных разрядов в масляных прослойках ленточной изоляции при длительном воздействии напряжения приводит к обра­ зованию ветвистых побегов, при которых пробой развивается на боль­ шие расстояния по зигзагообразному пути между слоями бумаги. Возникновение ветвистых побегов связано с тем, что при разряде в масляном зазоре возникает продольная (вдоль слоев) составляющая

159-