книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

.делении размеров изоляции (допустимых напряженностей) примени­ тельно к грозовым перенапряжениям, возникающим в электропере­ дачах при ударах молнии. В этом случае чаще всего используются

напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество частичных разрядов, возникающих в изоля­ ции при каждом импульсе, больше, чем во втором. О наличии таких частичных разрядов можно судить по следам необратимых разруше­ ний, по воскообразным отложениям, появляющимся после многократ­ ного приложения импульсного напряжения, а также непосредственно регистрируя частичные разряды при импульсных воздействиях. Ча­ стичные разряды сопровождаются газовыделением и некоторой порчей изоляции. Многократное приложение импульсов напряжения приводит к накоплению разрушения (кумулятивный эффект), например образо-

180

ванню газовых полостей и снижению напряжения частичных разря­ дов. Количество частичных разрядов определяется изменением напря­ жения на изоляции за рассматриваемый отрезок времени. Такие изме­ нения напряжения возникают при каждом изменении полярности, что и приводит к возникновению дополнительных частичных разрядов. Следствием этого является зависимость электрической прочности от декремента колебаний импульса и снижение электрической прочности

сувеличением числа воздействующих импульсов.

Вряде случаев пробой изоляции наступает не непосредственно в результате воздействия повышенного напряжения, а как следствие

того, что частичные повреждения изоляции могут быть вызваны воз­ действиями повышенного испытательного напряжения или перенапря­ жений в процессе эксплуатации. Если эти повреждения заметно нару­ шают электрическое поле, то они продолжают развиваться далее при рабочем напряжении и вызывают ее ускоренное старение. Таковы ползущий разряд в маслобарьерной изоляции, критические частичные разряды в бумажно-масляной изоляции, дендриты в твердой изоляции. Такие повреждения в процессе эксплуатации завершаются преждевре­ менным пробоем изоляции.

Предельное допустимое количество импульсов заданной формы с заданной амплитудой определяется как отсутствием (с достаточной для практики надежностью) пробоя изоляции, так и отсутствием повреждений, недопустимых с точки зрения дальнейшей длительной эксплуатации при рабочем напряжении.

§ 9.2. КРАТКОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МАСЛОБАРЬЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

а. Специфические особенности определения электрігческон прочности маслобарьерной изоляции

Применительно к однородным диэлектрикам (газообразным, жид­ ким и твердым) понятие «пробой диэлектрика» (или «пробой изоляции») означает полную потерю изолирующих свойств. В момент пробоя и 'в дальнейшем ток через изоляцию ограничивается только мощностью источника напряжения, так как сопротивление разрядного канала, замыкающего электроды, ничтожно мало по сравнению с сопротив­ лением неповрежденного диэлектрика.

В неоднородной маслобарьерной изоляции, состоящей из слоев, электрическая прочность которых отличается друг от друга в не­ сколько раз, пробой более слабого слоя (масляного канала) происходит при значительно меньшем напряжении, чем пробой более прочного слоя (картона). Ток, протекающий через изоляцию в месте пробоя масла, ограничен сопротивлением последовательно включенной не­ поврежденной части изоляции. При пробое одного масляного слоя ток через изоляцию возрастает незначительно и полной потери изоляци-

, онных свойств не происходит. Однако в месте пробоя масла в резуль­

181

тате воздействия высокой температуры разрядного канала образуются необратимые повреждения твердой изоляции, снижающие ее длитель­ ную прочность. В эксплуатации и при испытаниях возникновение таких повреждений не может быть допущено, и поэтому под кратко­ временной электрической прочностью маслобарьерной изоляции при­ нято понимать напряжение, при котором происходит пробой масля­ ного канала.

В главной изоляции трансформатора, как правило, прежде всегопробивается первый масляный канал, разделяющий обмотку и первый

ко отличается от напряжения пробоя масла между изолированными электродами, когда расстояние между ними равно ширине масляного канала.

На рис. 9.2 приведены экспериментальные данные, показывающие зависимость напряженности пробоя масляного канала, прилегающего к обмотке, от его ширины. Величина напряженности в середине мас­ ляного канала определяется в этом случае по формуле (8.1) для ци­ линдрических гладких электродов.

При испытаниях моделей и образцов маслобарьерной изоляции пробой масляного канала может быть зарегистрирован при помощи индикатора частичных разрядов (и. ч. р.), регистрирующего электри­ ческие колебания в обмотке, или при помощи акустического датчика, регистрирующего ультразвуковые явления, возникающие при пробое масляного канала.

Как указывалось в § 8.2, в., если заряд qtl, р больше ІО-0 к или если большое количество пробоев масляного канала следовало в од­ ном месте с небольшими интервалами (порядка 10_1-у-10—3 сек), то на поверхности бумаги или картона появляются обуглившиеся черные следы, имеющие нитевидную форму и обладающие высокой прово­ димостью. Эти следы не исчезают со временем и могут послужить исходной точкой для развития ползущего разряда, простирающегося на большую длину и завершающегося выходом изоляции из строя. Образование черных следов (обугливания поверхности) недопустимо

182

даже при кратковременном воздействии. Напряжение, при котором происходит пробой масляного канала, сопровождающийся обуглива­ нием поверхности картона и бумаги, является пробивным напряже­ нием маслобарьерной изоляции.

б. Электрическая прочность при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты

На рис. 9.3 приведены зависимости пробивного напряжения масло­ барьерной изоляции от расстояния между обмотками при переменном напряжении с длительностью воздействия 1 мин (кривая 1) для изоля­ ции, имеющей первый масляный канал шириной 154-20 мм. Приведен­ ная экспериментальная зависимость хорошо отображается формулой

Нпр = 28,5 [1+ (2,14/J/S )]S ,

Для конструирования трансформаторной изоляции часто исполь­ зуют результаты испытания моделей, сделанных как точная копия конструируемой изоляции в натуральную величину. Основным со­ держанием испытаний является при этом проверка выдерживания мо­ делью испытательного напряжения (переменного напряжения про­ мышленной частоты длительностью 1 мин или импульсного). Резуль-

183

тэты многолетних испытаний большого количества моделей обобщаются в виде зависимостей изоляционных расстояний между обмотками от величины испытательного напряжения. Пример такой зависимости приведен на рис. '9.4. Естественно, что для одного и того же испыта­ тельного напряжения потребуются разные изоляционные расстояния при разном количестве барьеров.

в. Электрическая прочность при импульсных воздействиях

На рис. 9.5 представлена зависимость напряженности пробоя первого от обмотки масляного канала от длительности воздействия

і/ямп—импульсное пробивное (выдерживаемое) напряжение, а ІУьогц.імин — амплитудное значение переменного пробивного (выдер­

= 2ч-2,2.

Электрическая прочность при'воздействии внутренних перенапря­ жений на 154-20% ниже электрической прочности при воздействии атмосферных перенапряжений (стандартный импульс 1,5/40 мксек). Изменение длительности импульса коммутационных перенапряжений

- 184

в пределах от ІО-3 до ІО-1 сек слабо влияет на-электрическую прочность. Для расчетов прочности при этих воздействиях обычно пользуются значениями £ „ = 1,35ч-1,5.

г. Электрическая прочность продольной изоляции

Продольная изоляция силовых высоковольтных трансформаторов состоит из двух основных элементов (рис. 9.6): витковой изоляции (изоляция между проводниками двух соседних прилегающих друг к другу витков одной катушки) и катушечной изоляции (изоляция между

°)

проводниками двух'соседних катушек, разделенных масляным кана­ лом) .

Витковая изоляция представляет собой бумажно-масляную изо­ ляцию, конструктивно и технологически подобную аппаратной изо­ ляции. Кратковременная электрическая прочность витковой изоля­ ции (рис. 9.7) несколько ниже, чем у аппаратной бумажно-масляной изоляции в слабонеоднородном поле, и выше, чем в сильнонеоднород­ ном поле. Зависимость Unpmax от длительности воздействия практи­ чески такая же, как и для других видов бумажно-масляной изоляции.

Изоляция между катушками состоит из масляного канала шириной от 8 до 30 мм (этот канал называется аксиальным в отличие от канала между обмоткой и картонным цилиндром, который называется ради­ альным) и бумажной изоляции провода, которая усиливается в случае необходимости дополнительной подмоткой бумаги, охватывающей все витки катушки. Для увеличения электрической прочности ахси-

185

альный канал иногда разделяют на две части, помещая посередине канала барьер из электрокартона. Характер процессов, происходящих в аксиальном канале, по существу ничем не отличается от характера процессов в радиальном канале. Дополнительная катушечная изоля­ ция увеличивает прочность аксиального канала в той же мере, что и прочность радиального канала.

§ 9.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ч а с т о т ы

а.Зависимость пробивной напряженности от толщины слоя изоляции

иплощади электродов

Зависимость пробивной напряженности от толщины различна для изоляции, выполненной из конденсаторных и кабельных бумаг. Ма­ лая толщина каждого листа конденсаторной бумаги (обычно 7ч-20 мкм) обусловливает существенную зависимость пробивной напряженности от числа листов. В одном листе конденсаторной бумаги всегда имеются проводящие включения, размеры которых соизмеримы с толщиной листа, состоящие в основном из частиц угольной пыли, металлов, их

метр поверхности.

Если толщина диэлектрика равна двум листам, то электрическая прочность его будет определяться только одним листом конденсатор­ ной бумаги. Вероятность совпадения двух включений в различных листах при площади электродов менее 1 м- весьма мала, поэтому можно считать, что каждое проводящее включение шунтирует только один лист бумаги. При этом пробой происходит в месте расположения вклю­ чения, что большей частью соответствует области равномерного поля. Точно так же пробивное напряжение ІІпѵ трех листов будет опреде­

где Еоб— пробивная напряженность листа бумаги при отсутствии включений; бб—толщина одного листа бумаги; п —число листов в слое изоляции.

Средняя пробивная напряженность

Наличие проводящих включений в слое большей частью приводит к пробою изоляции в области равномерного поля. Однако, если число листов больше семи-восьми, то начинает сказываться краевой эффект электрода (обкладки). По мере увеличения толщины диэлектрика проводящие включения сказываются все меньше [(/г— 1 )/п близко к еди­

186

нице] и пробои будут более вероятны на краю электрода, где искаже­ ние поля будет наибольшим. Это приводит к тому, что с ростом d воз­ растает степень неоднородности поля Е„акс/Еср [см. формулу (7.44)] и падает средняя пробивная напряженность.

Вследствие наложения обоих рассмотренных выше обстоятельств возникает максимум пробивной напряженности (рис. 9.8) при толщине слоя около 80 мкм (число листов около 8). Число листов (толщина слоя изоляции), соответствующее максимуму пробивной напряжен­

броса в пробивных напряжениях наступает при количестве листов менее пяти. Уменьшение электрической прочности и увеличение раз­ броса пробивных напряжений при уменьшении количества листов в слое менее пяти приводит в этом случае к необходимости снижения допустимых напряженностей.

Зависимость пробивной напряженности от толщины изоляции из кабельной бумаги имеет несколько иной.вид. В наиболее часто приме­ няемой кабельной бумаге 80-ь 120 мкм вследствие большей ее тол­ щины маловероятно наличие сквозного включения, которое шунтиро­ вало бы всю толщину листа. Поэтому электрическая прочность изо­ ляции из кабельной бумаги в области равномерного или слабонеравно­ мерного поля приблизительно пропорциональна толщине d. В области сильно неравномерного поля на краю электрода средняя пробивная напряженность уменьшается как d~0,s.

Следует отметить, что электрическая прочность листовой изоляции из конденсаторной бумаги при напряжении промышленной частоты превосходит прочность такой же изоляции из кабельной бумаги 80-)- 120 мкм приблизительно в два раза (1200 кв/см для конденсаторной бумаги и 500 кв/см для кабельной). Это объясняется как большой плотностью конденсаторной бумаги, так и меньшими толщинами слоев изоляции, применяемых в первом случае.

В ленточной изоляции наличие масляных зазоров между слоями бумаги облегчает развитие пробоя, так как электрическая прочность масляного зазора значительно меньше прочности одного слоя бумаги такой же толщины. В ленточной изоляции из кабельной бумаги вслед­ ствие масляных' зазоров между лентами электрическая прочность

187

одного слоя весьманизка, и пробивное напряжение существенно возрастает с увеличением толщины изоляции. Начиная с восьми­ десяти слоев, накладываемых с зазором между лентами, и с четырех­ пяти слоев, накладываемых вполнахлеста, пробивная напряженность в области слабонеравномерного поля мало изменяется с ростом толщины изоляции, а пробивное напряжение возрастает пропорционально этой толщине. При наличии значительной неравномерности поля электри­ ческая прочность в большой мере определяется конфигурацией поля

щади электродов: для среднеквадратичного отклонения — около 8%, что соответствует изоляции больших толщин из кабельной бумаги или изоляции из конденсаторной бумаги толщиной 50ч-100 мкм, увели­ чение площади электродов в 100 раз приводит к снижению электри­ ческой прочности на 20%..б

б. Влияние толщины, плотности и технологии изготовления бумаги на электрическую прочность изоляции

-Характеристика изоляционных бумаг, пропитывающего состава и технология изготовления во многом определяют электрическую прочность бумажно-масляной изоляции. Пробой бумажно-масляной изоляции при переменном напряжении начинается с пробоя масляного зазора. Поэтому применение более тонкой бумаги, приводящее к уменьшению толщины масляного зазора (см. § 6.4), позволяет суще­ ственно повысить пробивную напряженность масляных прослоек и тем самым увеличить электрическую прочность изоляции в целом. На рис. 9.10 приведена зависимость пробивной напряженности при про­ мышленной частоте от толщины листа бумаги для ленточной 'изоляции при толщине слоя 1 мм.

188

Как указывалось в § 8.3, б, увеличение плотности бумаги при­ водит к возрастанию кратковременной электрической прочности изо­ ляции вследствие увеличения содержания клетчатки, хотя при этом, происходит снижение длительной прочности изоляции. Например,

что существенно снижает электрические характеристики (см. рис. 8.17). Кроме того, остаточная влажность в изоляции приводит к за­ метному снижению электрической прочности с ростом температуры.

в. Влияние избыточного давления на кратковременную электрическую прочность

Применение избыточного давления масла приводит к значитель­ ному росту кратковременной электрической прочности бумажно-мас­

стей на поверхности листа бумаги, которые значительно меньше еетолщины, и электрическая прочность в основном определяется прочно­ стью клетчатки. '

189-