книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

напряженности электрического поля, способствующая развитию про­ боя между слоями до ближайшего масляного канала.

Применение индикаторов частичных разрядов с повышенной чув­ ствительностью (порядка 3- І О - 1 6 к) совместно с фотоэлектрической схемой регистрации (в которой основным элементом является фотоум­ ножитель, регистрирующий свечение, возникающее в изоляции) поз­

тых в настоящее время. Например, для изоляции силовых конденсато­ ров толщиной 80 мкм (8 листов по 10 мкм), пропитанной минераль­ ным маслом, среднее значение напряженности начальных ч. р. Еп на уровне 3- ІО-15 к составляет 100-Ь 120 кв/см, в то время как рабочая напряженность Ераб Ä; 130 кв/см.

Для аппаратной изоляции конденсаторного типа (проходные изо­ ляторы, трансформаторы тока) при толщине слоя 1 мм Ен =36 кв/см, что также ниже рабочей напряженности Драб = 40 кв/см. Для опреде­ ления допустимых рабочих напряженностей важной характеристикой является мощность ч. р.

В бумажно-масляной изоляции ч. р. при переменном напряжении возникают прежде всего на краю электрода, где имеется повышенная напряженность электрического поля. Свечение, сопровождающее ч. р., появляется на краю электрода в виде отдельных точек. С ростом на­ пряжения количество точек растет, захватывая весь периметр элект­ рода. Так как с ростом напряжения увеличивается область изоляции, ■охваченная ч. р., то зависимость для их числа пт 0 за один полупериод

отличается от (7.41). Увеличение числа этих областей (включений) происходит в соответствии со статистическим разбросом напряжений зажигания ч. р. в отдельных включениях. Для бумажно-масляной изоляции экспериментальным путем была получена эмпирическая формула

Так как для начальных ч. р. кажущийся заряд q4_ слабо изме­

колеблется в пределах 4—7 и в среднем может быть принято рав­

160

в. Зависимость напряженности ч. р. от толщины изоляции

Для изоляции с сильнонеоднородным полем возникновение началь­ ных и критических ч. р. определяется процессами, происходящими у края электрода. Средняя напряженность в диэлектрике, при которой начинаются ч. р. у края электрода,

гЛе £ср.ч.р= kVp/d; Е0 — местная максимальная напряженность у по­

лельными бесконечной и полубесконечной пластинками, вытекает

Зависимости (8.13)Ч-(8.17) представлены на рис. 8.14.

Разброс напряженности для отдельных образцов характеризуется следующим среднеквадратичным отклонением: начальных ч. р. стн*;=в «(254-30)% , а критических ч. р. акр* « (7ч-10)%.

Для изоляции с сильнонеоднородным полем у краев электродов повышения напряженности (напряжения) ч. р. можно достигнуть пу­ тем ослабления краевого эффекта электродов. Для изоляции с одно­ родным или слабонеоднородным полем и с устраненным краевым эффек­ том напряженности начальных и критических ч. р., определенные как значения максимальной напряженности у электрода с меньшим радиу­ сом кривизны при напряжениях соответственно Un и UKp, не зависят от толщины диэлектрика. Например, для аппаратной ленточной изоля­ ции из кабельной бумаги К-12 £ н =120 кв/см и £ кр — 300 кв/см. Раз­ брос этих величин составляет: стн* « 30%; сгкр* « 10%.

г. Зависимость характеристик ч. р. от избыточного давления масла

Повышение избыточного давления масла приводит к значительному увеличению напряжения ч. р. бумажно-масляной изоляции. Такое влияние избыточного давления получается при ч. р. как от пробоев масляной пленки, так и от пробоев газовых включений. В первом слу­ чае с ростом избыточного давления увеличивается электрическая проч­ ность масла (см. рис. 6.11), а во втором — увеличивается прочность газового включения (см. рис. 2.8). Пробои газовых включений воз­ можны, когда размеры их достаточно велики и достигают десятка микрон и более. Для включений таких размеров разрядные напря­ жения лежат в правой части кривой Пашена, и с повышением избыточ­ ного давления пробивное напряжение возрастает.

На рис. 8.15 приведены зависимости £ кр и £ М1Шот избыточного давления масла. Сравнение кривых, приведенных на рис. 8.15, а и 6.11, показывает, что напряжение критических ч. р. с ростом давления увеличивается приблизительно пропорционально прочности мине­ рального масла. Зависимость напряженности £ кр от избыточного давления р в диапазоне от 1 до 7 am для листовой конденсаторной изоляции из.бумаги КОН-І может быть представлена в виде £ кр = =650 (1+0,11 р), кв/см. На рис. 8.15,6 приведена аналогичная за­ висимость для ленточной изоляции из кабельной бумаги (слабонеодно­ родное поле). В этом случае увеличение напряженности ч. р. с ростом давления до 30 am происходит несколько медленнее и описывается формулой £ кр =370 (1+0,03 р), кв/см.

Опыт показывает, что повышение избыточного давления сверх опре­ деленной величины нерационально. Допустимые напряженности при этом определяются кратковременной прочностью и воздействующими перенапряжениями. Так, для конденсаторной изоляции с толщиной диэлектрика 60ч-100 мкм повышение давления рационально до 6ч- Ч-8й7?г, а для кабельной изоляции, имеющей значительно большие тол­ щины диэлектрика,— до 204-25 am. Обычно конденсаторы изготов­ ляются с избыточным давлением масла до Зч-4 am. В кабелях высоко­ го давления избыточное давление достигает 15 am.

162

Напряжение начальных ч. р. зависит лишь от амплитуды и не зависит от формы напряжения.

WOO

800

600

400

200

Рис. 8.15. Зависимости напряженности ч. р. Е от избыточного дав­ ления р масла:

из кабельной бумаги, слабонеоднородное поле £ Кр

д.Частичные разряды при постоянном напряжении

Вбумажно-масляной изоляции при определенной постоянной напряженности также возникают ч. р., которые, как и при перемен­ ном напряжении, представляют со­ бой пробои масляных прослоек.

При постоянном напряжении ч. р. развиваются по всей площади элек­ трода даже при наличии острого края. Это объясняется ослабле­ нием краевого эффекта вследствие значительной продольной прово­ димости масляных пленок по срав­ нению с поперечной проводимостью бумажно-масляной изоляции. При

ности. Оба эти фактора приводят к увеличению проводимости изоля­ ции и уменьшению электрической прочности пропитывающего состава.

При этом увеличивается интенсивность ч. р. и уменьшается напряже­ ние начальных ч. р., которое измеряется при определенной чувстви­ тельности регистрирующей схемы.

Для конденсаторной изоляции изменение толщины диэлектрика

начальных ч. р. заметно ниже н для слоя толщиной 1 мм составляет: Ен =200-^300 кв/см при t=20° С н £ Н=100-М50 кв/см при і=80° С..

При постоянном напряжении, как и при переменном, эмпиричес­ кие зависимости тока и мощности ч. р. от напряжения (напряжен­

однако показатели степени си и а3 в них существенно больше, чем ал и а

в формулах (8.11) и (8.12): Ö2=9 и я3 = 10. Для отдельных образцов, значение а3 колеблется в пределах 8—14.

§ 8.4. ТЕПЛОВОЕ СТАРЕНИЕ II ОКИСЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

Для наиболее экономичного использования активных материалов (медь обмоток; сталь магнитопровода; медь жил кабеля и др.) тре­ буется по возможности увеличивать рабочую температуру. Возмож­ ность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит ее химическое старение. Для органической изоляции химическое старение проявля­ ется в процессах окисления, а также деструкции (при которой рас­ падаются молекулы высокомолекулярных соединений), полимериза­ ции и поликонденсации. Скорость протекания этих процессов опреде­ ляется кинетикой химических реакций.

Если обозначить через А0 начальное число молекул вещества в еди­ нице объема, а через A t — то же число молекул через промежуток времени t, то скорость химической реакции в большинстве случаев, может быть выражена формулой

где k — средняя вероятность распада одной молекулы в единицу вре­ мени, определяющая скорость химической реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры подчиняется закону Аррениуса

ность энергии активных и неактивных молекул исходных веществ

164

Для органической изоляции интенсивность химических процессов разложения обычно возрастает примерно вдвое с увеличением темпе­ ратуры на каждые 10° С. Химическое разложение целлюлозы характе­ ризуется уменьшением степени полимеризации. Укорочение цепочеч­ ных молекул целлюлозы сопровождается уменьшением гибкости и механической прочности бумаги и картона. Степень полимеризации целлюлозы [число п звеньев С0О5Ні0 в одной молекуле (C0O6Hl0)nJ в бумаге при ее изготовлении составляет примерно 1300. В результате старения степень полимеризации уменьшается до 100-1-200, бумага становится хрупкой и легко крошится. Потеря механической проч­ ности недопустима, так как картон и бумага, как правило, являются не только изоляционными, но и конструктивными элементами.

Электрические характеристики такой химически состарившейся бумаги остаются достаточно высокими, если только бумага не ув­

ходном состоянии. Химическое старение масла заключается прежде всего в его окислении. Пробивное напряжение сухого окисленного трансформаторного масла не ниже, чем до окисления, но значительно возрастают tg б и удельная проводимость. В бумаге и картоне, про­ питанных маслом с повышенным tg б, возрастают потери, увеличи­ вается местное тепловыделение и соответственно ускоряется химичес­ кое старение.

Вэксплуатации ведется непрерывный контроль состояния масла,

икогда его показатели становятся больше (tg б, кислотность) или мень­ ше (ІІпр) нормированных величин, масло в трансформаторе заменя­ ется .

Кроме температуры, процессы окисления ускоряют также свет и

катализаторы (медь, свинец и ряд других металлов).

рального масла соприкасается с воздухом, который может в процессе теплового расширения и сжатия масла обмениваться с воздухом ок­ ружающей среды (атмосферы). При этом возникает возможность ув­ лажнения изоляции (пропитывающего состава и бумаги).

Рассмотрим вначале процессы увлажнения масла. Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворяю­ щей способностью обладают непредельные и ароматические углево­ дороды, наименьшей — парафиновые. Зависимости растворимости паров воды от температуры для различных масел приведены на' рис. 6.7. Наличие воды в масле резко снижает его электрическую прочность и увеличивает tg б, причем влияние воды в эмульгированном состоя­ нии сказывается сильнее, чем в молекулярно-растворенном.

В изоляционных конструкциях вода, находящаяся в трансформа­ торном масле, поглощается твердой изоляцией, причем при заданной температуре устанавливается равновесие содержания влаги в бумаге

165

и масле. Опыт эксплуатации показывает, что, несмотря на то что влажность масла лежит в пределах 0,001—0,01%, бумага в силовых трансформаторах может приобретать влажность от 1 до 10% (в сред­ нем 4%), что приблизительно соответствует влажности бумаги в воз­ духе при t=20° С и относительной влажности воздуха около 50%. Таким образом, влагосодержание бумаги в воздухе мало отличается от влагосодержания бумаги в масле. Если масло имеет свободную поверхность соприкосновения с воздухом атмосферы, то оно только замедляет процесс увлажнения бумаги (проникновение влаги сквозь толщу масла в бумагу). Для защиты масла и бумаги от увлажнения применяются конструкции аппаратов, исключающие соприкосновение масла с атмосферным воздухом (силикагелевая защита; сильфоны; термосифонные фильтры).

Влажность бумаги оказывает сильное влияние на ее электрические характеристики: снижает напряжение частичных разрядов, электрическую прочность и увеличивает

от влажности W

Влажность бумаги увеличивает скорость термического старения, способствует разрушению молекул целлюлозы, ухудшает механичес­ кие характеристики бумаги. Например, увеличение влажности от 0,5 до 7% приводит к ускорению процессов старения приблизительно

в16 раз.

§8.6. ИЗМ ЕН ЕН ИЕ ЭЛ ЕК ТРИ ЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ЗОЛЯЦ ИИ

ВПРОЦЕССЕ СТАРЕНИЯ

Изменение электрической прочности изоляции в процессе старения происходит главным образом вследствие развития в ней ч. р. и увлаж­ нения. Увлажнение не связано с воздействием напряжения и зависит прежде всего от конструкции аппарата и условий его эксплуатации.

1С6

Развитие ч. р. является следствием приложенного к изоляции напря­ жения и определяет ее срок службы.

Зависимость пробивного напряжения от времени выдержки может быть определена двумя способами. Первый заключается в том, что к испытуемому образцу прикладывается заданное напряжение и выдер­ живается до пробоя. Изменяя величину напряжения, можно опреде­ лить зависимость величины пробивного напряжения от времени вы­

при больших временах). В дальнейшем будет рассматриваться первая зависимость.

Исследование зависимости пробивного напряжения от времени выдержки Unp—f(t) требует весьма длительных экспериментов, про­ ведение которых в лабораторных условиях крайне затруднительно. Поэтому время выдержки редко превосходит сотни часов, причем эта зависимость вынужденно снимается в области напряжений, значи­ тельно (в три и более раза) превышающих нормальное рабочее на­ пряжение изоляции. Зависимость пробивного напряжения Unp от времени выдержки в определенном интервале времени выражается

где показатель степени а зависит от рода воздействующего напряже­ ния и от его величины. Последнее определяет характер старения изоляции (область развития критических или начальных ч. р.).

Характерные зависимости срока службы от напряженности элект­ рического поля при переменном напряжении 50 гц и постоянном на­

167

начальных ч. р. и переходом их в критические ч. р. В случае, когда нарушение электрической прочности происходит не в результате од­ нократного процесса, а за счет постоянного накапливания разрушений структуры диэлектрика под воздействием частичных разрядов, может быть введено понятие ресурса изоляционной конструкции. Ресурс изоляционной конструкции R представляет собой величину, харак­ теризующую способность изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушаю­ щему действию процессов, протекающих при этом напряжении (глав­ ным образом частичных разрядов). Ресурс изоляционной конструкции может быть определен количеством твердого, жидкого или газообраз­ ного вещества, которое должно быть разрушено (образовано или вы­ делено), для того чтобы привести к нарушению или резкому снижению электрической прочности изоляционной конструкции. Этот ресурс зави­ сит от структуры и размеров изоляции, видов диэлектриков, входящих в эту структуру, а также от конструкции изоляции, расположения электродов и их формы.

Для заданной изоляционной конструкции при изменении напря­ жения в определенных пределах в первом приближении этот ресурс может быть принят постоянным. В этом случае срок службы изоляции

чество разрушенного диэлектрика (расходование ресурса) за счет частичных разрядов с энергией 1 дж\ Рч р — мощность частичных разрядов.

При этом для бумажно-масляной изоляции, а в некоторых случаях и для маслобарьерной изоляции можно считать, что срок службы определяется временем, необходимым для образования газовых пу­ зырьков, после возникновения которых появляются критические ч. р., резко возрастает их интенсивность и происходит быстрое раз­ рушение изоляции. В этом случае срок службы изоляции выражается формулой (8.9).

В формуле (8.24) зависимость Рч р от напряжения (напряженности) для переменного или постоянного напряжения выражается соответ­

а для постоянного напряжения а=8-М 4.

Формула (8.25) для переменного и постоянного напряжений доста­ точно хорошо соответствует экспериментально полученной зависимо­ сти (8.22). Сравнение формул (8.23)-^ (8.25) показывает, что в частном случае бумажно-масляной изоляции ресурс R=CrVM определяется

168

а.Изоляция на основе эпоксидных и полиэфирных смол

Всовременной электротехнической промышленности все более широкое применение находят электроизоляционные материалы нового типа, позволяющие принципиально изменять конструкцию и техно­ логию обработки деталей, узлов и блоков аппаратов, трансформато­ ров и машин. Теплостойкость, влагостойкость, механические харак­ теристики и главным образом комплекс этих важнейших свойств новых электроизоляционных материалов значительно выше, чем у природ­ ных веществ.

Вкачестве высоковольтной изоляции из новых материалов наи­ большее распространение получила изоляция на основе эпоксидных

иполиэфирных смол. Эпоксидные смолы при действии на них соеди­ нений с активным атомом водорода (отвердителей — малеиновый ан­ гидрид, полиэтиленполиамин и др.) способны отверждаться с обра­ зованием неплавких нерастворимых полимеров. При производстве изоляции в эпоксидную смолу добавляют значительное количество наполнителя (например, кварцевый песок) для уменьшения коэффи­ циента линейного расширения, увеличения твердости и снижения стоимости.

Смесь смолы, наполнителя и отвердителя называется компаундом. Для получения эластичных компаундов, выдерживающих действие низких температур, механических и тепловых ударов, применяют спе­ циальные пластификаторы, например дибутилфталат, полиэфиры.

Старение высокомолекулярных диэлектриков сопровождается ком­ плексным изменением его физических свойств: увеличиваются жест­ кость и хрупкость диэлектрика, изменяется его механическая проч­ ность, появляется липкость, снижается электрическая прочность и др. В полимерных диэлектриках при старении важнейшим фактором являются деструктивные процессы. Скорость их протекания зависит от температуры и описывается выражением (8.21).

В процессе длительного приложения напряжения твердые изоля­ ционные материалы могут пробиться из-за прорастания внутри них древовидных каналов — дендритов. Обычно дендриты не проводят электрического тока и представляют собой непроводящие полые тру­ бочки, связанные между собой. Дендриты начинают зарождаться у включений или пустот, имеющихся в диэлектрике, по-видимому, вслед­ ствие внутренних разрядов в них.

При внутренних разрядах разрушение материала может носить двоякий характер. Первоначально происходит эрозия поверхности полости под воздействием разрядов. Разряды концентрируются, обра-

169