Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
дефектов с последующей заменой или восстановлением поврежденного изоляционного участка.
В изоляционной конструкции различают местные и общие дефекты.
Местные дефекты сосредоточены на небольшом участке изоляции и проявляются в виде газовых (воздушных полостей) и металлический включений, примесей, а также в виде механических и технологических нарушений (микротрещин, заусениц, морщин, смещений слоев ленты, вмятин и т.п.).
Общие дефекты наиболее распространены, среди них чаще обнаружива-
ется проникающая влага в изоляцию, реже выявляются дефекты развитого газового включения и проводящей примеси.
Разрушение изоляции в начале эксплуатации протекает медленно, а
в конце — носит скачкообразный характер.
Методы контроля за качеством изоляции — это разрушающие методы
при испытании повышенным напряжением и обнаружение дефектов под воздействием напряжения ниже номинального уровня или рабочих напряжений
без разрушения изоляции.
Опыт применения профилактических испытаний высоковольтной изоля-
ции сводится к повышению надежности изделий в работе или к снижению вероятностей отказов электрооборудования.
Испытание изоляции повышенным напряжением
Изоляция электрооборудования в условиях эксплуатации подвергается
воздействию рабочего напряжения, перенапряжений внешнего и внутреннего
характера и физико-механических факторов — теплового поля, вибраций, электродинамических усилий и т.д. Пооперационные испытания повышенным
напряжением позволяют оценить способность изоляции противостоять таким
воздействиям.
Повышенное испытательное напряжение должно:
– эффективно обнаружить все виды дефектов;
– не старить изоляцию, т.е. не развивать дефект, если он выдержал испы-
тания;
– дать распределение напряженности поля по изоляции во время испыта-
ния, идентичное перенапряжению во время эксплуатации;
– установки повышенного напряжения должны быть транспортабельны,
просты в обслуживании и электробезопасны.
61
В понятие эффективности испытания вкладывают различное содержание,
c
σ
p
σ
и
σ
200σ
c
=
50σ
р
=
вследствие чего сравнение эффективности испытаний, проводимых различными специалистами, затруднительно, а порой невозможно. Одни оценивают эффективность испытаний отношением числа выявляемых дефектов к числу испытаний машин, другие определяют отношение числа выявленных дефектов
при испытаниях к числу машин, изоляция которых повреждена в эксплуатации
за период времени между двумя испытаниями. В обоих случаях такой подход
формальный. В ряде случаев дается оценка эффективности испытаний с применением нескольких форм испытательных напряжений и при неоправданно завышенных величинах испытательного напряжения. Наряду с большим числом
пробоев изоляции во время испытаний ожидается кумулятивный эффект в ней
и, как следствие, аварийность изоляции в эксплуатации не снижается. Все вышесказанное относится как к традиционным испытаниям повышенным напряжением, существующим в настоящее время в нормах и ГОСТах (это повышенное переменное напряжение промышленной частоты в течение 1 мин и выпрямленное в течение 5 мин, а также импульсное напряжение стандартной
волны 1,5/40 мкс и срезанной — 1,5/2 мкс — «трехударный метод»), так и к нетрадиционным — это другие формы повышенных напряжений: трапецеидальная (завод «Электросила»), сверхнизкочастотная 0,1 Гц (СIIIА), полупериод
напряжения 50 Гц (Нидерланды, ЛПИ им. М. И. Калинина).
1.9. Свойства диэлектриков
1.9.1. Механические свойства
В процессе эксплуатации диэлектрики подвергаются воздействию меха-
нических усилий, которые могут вызвать их разрушение. В связи с этим они
должны обладать свойством не деформироваться и не разрушаться под воздействием механических сил. Важнейшие характеристики, по которым оцениваются механические свойства, следующие: пределы прочности на сжатие, разрыв и
изгиб; хрупкость; твердость; вязкость.
Пределы прочности на сжатие
, разрыв
и изгиб
характеризуют
способность диэлектриков противостоять статическим, механическим нагрузкам и выражаются в системе СИ в паскалях (Н/м
2
).
Механическая прочность твердых диэлектриков зависит от направления
действия силы. Как правило, предел прочности на сжатие больше, чем на разрыв. Например, у кварцевого стекла
МПа, а
МПа.
62
Хрупкость характеризует способность диэлектриков выдерживать удар-
уд
σ
η
ν
ρ
η
ν =
ные механические воздействия. Так, стекло, фарфор, керамические материалы
устойчивы к статическим воздействиям, но легко разрушаются под воздействием ударных нагрузок. Для оценки способности диэлектрика выдерживать динамические (ударные) нагрузки применяется характеристика — ударная вязкость
, измеряемая в Дж/м2.
Для жидких диэлектриков важнейшими механическими характеристика-
ми являются динамическая и кинематическая вязкости.
Динамическая вязкость
— сила сопротивления перемещению двух сло-
ев жидкости единичной площади, находящихся на расстоянии друг от друга,
равном единице, и перемещающихся относительно друг друга со скоростью,
равной единице. Измеряется в Па·с.
Кинематическая вязкость
равна отношению динамической вязкости
жидкости к ее плотности:
. (1.40)
Этот показатель имеет особенно большое значение при пропитке твердых
изоляционных материалов жидкими, при использовании жидких диэлектриков
в системах охлаждения электрических машин и т.д. Большое значение вязкости
у жидких диэлектриков приводит к плохому заполнению пор и капилляров
твердого диэлектрика и к ухудшению условий охлаждения электрических машин. Кроме того, вязкие жидкие диэлектрики обладают большими по значению
диэлектрическими проницаемостями.
1.9.2. Физические свойства
Как известно, в воздухе обычно содержится определенное количество
влаги. Масса водяного пара в граммах, содержащаяся в единице объема воздуха, называется абсолютной влажностью (m). При каждой конкретной температуре в воздухе может содержаться некоторое максимальное количество влаги.
Максимально возможная масса водяного пара в граммах, которая может содержаться в единице объема воздуха при какой-либо температуре, называется абсолютной влажностью насыщения (m
нас
).
Если абсолютная влажность воздуха при определенной температуре от-
личается от влажности насыщения, то содержание влаги оценивается посред-
63
ством еще одной характеристики — относительной влажности
ϕ
нас
100
m
m⋅
=ϕ
р
ψ
ψ
р
ψ
ψ
р
ψ
Ψр Ψ — осушение
Ψ — увлажнение
t, час
Ψ
, выражаемой
в процентах.
Связь между относительной влажностью и влажностью насыщения опи-
сывается уравнение:
. (1.41)
Если абсолютно сухой диэлектрик поместить в воздушную среду с опре-
деленной влажностью, то он начнет впитывать в себя влагу (увлажняться)
до тех пор, пока его влажность не достигнет некоторого равновесного значения
, зависящего от температуры и влажности окружающей среды.
Если в окружающую среду с той же влажностью и температурой поме-
>
стить диэлектрик, влажность которого
, то будет происходить процесс
сушки, пока влажность диэлектрика
Рис. 1.17. Процесс осушения и увлажнения диэлектрика,
помещенного в определенную окружающую среду
не станет равной
.
на своей поверхности, что может привести к поверхностному пробою. Способность диэлектрика удерживать влагу на своей поверхности оценивается углом
смачиваемости Θ.
Твердые диэлектрики в процессе эксплуатации накапливают влагу
64
τ
( )
τ
П
21
⋅⋅−
⋅
=
SPP
mh
поверхность
капля воды
Θ
поверхность
капля воды
Θ
Рис. 1.18. Угол смачиваемости поверхности диэлектрика
Таким образом, если угол смачиваемости Θ > 90º, то диэлектрик плохо
смачивается, если Θ < 90º — диэлектрик хорошо смачивается.
Повышение содержания влаги в порах и капиллярах диэлектрика при
увлажнении резко ухудшает его электрические характеристики: уменьшаются
сопротивление изоляции и пробивное напряжение, возрастают диэлектрические
потери и относительная диэлектрическая проницаемость. Наибольшей гигроскопичностью и, следовательно, наибольшей зависимостью электрических параметров от влажности окружающей среды обладают пористые материалы (бумага, ткани и т.д.).
Влагопроницаемость материалов оценивается по массе водяного пара т,
кг, проходящей за время
териала толщиной h, м, под действием разности давлений водяного пара Р
Р
, Па:
2
сквозь поверхность площадью S изоляционного ма-
—
1
, (1.42)
где П — коэффициент влагопроницаемости.
Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов,
применяемых для защитных покрытий (оболочки кабелей, компаундные залижи, лаковые покрытия и т.д.). Материалы с меньшим коэффициентом влагопроницаемости лучше защищают металлические токоведущие части машин
от попадания влаги из окружающей среды.
Гигроскопичность диэлектриков — свойство диэлектриков впитывать
влагу из окружающей среды.
Влагопроницаемость — способность диэлектрика пропускать сквозь себя
пары воды.
65
Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористые ди-
tgδ
электрики пропитываются жидкими и твердеющими изоляционными материалами.
1.9.3. Тепловые свойства
Часто электротехнические и электронные устройства эксплуатируются
в условиях высоких температур окружающей среды.
Способность диэлектриков и изделий из них выдерживать воздействие
высоких температур без существенного ухудшения электрических свойств
называется нагревостойкостью.
Оценка нагревостойкости производится по температуре, при которой
в диэлектрике начинаются существенные изменения электрических свойств
(рост
или снижение удельного сопротивления).
Для оценки нагревостойкости жидких диэлектриков используются харак-
теристики: температура вспышки и температура воспламенения.
Температурой вспышки называется такая температура, при которой про-
исходит воспламенение паров жидкого диэлектрика при поднесении огня.
Температура воспламенения — это температура, при которой происходит
возгорание самого жидкого диэлектрика, когда к нему поднесен открытый
огонь.
Нагревостойкость и температура вспышки определяют наибольшее зна-
чение рабочей температуры, при которой допускается эксплуатация изделий
с диэлектриком.
По нагревостойкости все диэлектрики делятся на классы. Каждому классу
соответствует предельная рабочая температура, до которой допускается использование диэлектриков этого класса.
Обозначение и предельная температура каждого из классов приведены
в табл. 1.1.
66
Таблица 1.1
Класс нагр
востойкости
Предельная
температура,
°С
Непропитанные природные органические материалы (бума-
Те же материалы, что и класса Y, только пропитанные или
Пластические массы с органическими наполнителями и тер-
Материалы с большим содержанием неорганических компоМатериалы на основе слюды и стекловолокна без подложки
Слюда и стекловолокно с особо нагревостойкими крем-
Слюда без связующих или со связующим, стеклом (мика-
Классы нагревостойкости диэлектриков
е-
Электроизоляционные материалы,
отнесенные к соответствующему классу
нагревостойкости
Y 90
A 105
E 120
B 130
F 155
H 180
га, хлопок, шелк, каучук, поливинилхлорид)
погруженные в жидкий диэлектрик
мореактивными связующими (гетинакс, текстолит, эпоксидные смолы и компаунды)
нентов (слюда, асбест, стекловолокно) в сочетании с органическими связующими (миканиты, стеклолакоткани, стеклотекстолиты)
или с неорганической подложкой и с эпоксидными или
кремнийорганическими связующими (миканиты)
нийорганическими связующими
C >180
лекс), стеклокерамика, кварц и т.д.
Для некоторых диэлектриков, особенно хрупких (стекло, керамика, фар-
фор), весьма важна стойкость к резким сменам температуры (термоудары),
в результате которых в материале могут образовываться трещины.
При эксплуатации электрооборудования в открытых условиях на диэлек-
трик могут воздействовать температуры до –60 °С — –70 °С. Способность диэлектриков выдерживать воздействие низких температур без ухудшения
свойств называется холодостойкостью.
Как правило, электрические свойства диэлектриков с уменьшением тем-
пературы улучшаются, но сами диэлектрики становятся более жесткими и
67
хрупкими, что может привести к их разрушению под воздействием различных
механических усилий.
Важной характеристикой является коэффициент теплопроводности. Чем
больше коэффициент теплопроводности диэлектрика, тем лучше он отводит
тепло от токоведущих частей электротехнических устройств и, следовательно,
тем лучше условия охлаждения этих устройств;
При нагревании диэлектрики, как и все другие материалы, расширяются.
Изменение геометрических размеров оценивается температурным коэффициентом линейного расширения ТК
рать такие диэлектрики, у которых ТК
. При изготовлении изоляции необходимо выби-
l
совпадает с коэффициентом линейного
l
расширения материалов токоведущих частей устройств. Несоблюдение этого
условия может вызвать механическое разрушение изоляции.
1.10. Изоляционные материалы
1.10.1. Понятие об изоляционных материалах
Электроизоляционными называются диэлектрические материалы, основным
назначением которых является устранение возможности протекания электрического тока по путям, не предусмотренным электрической схемой устройства.
Электроизоляционные материалы подразделяются по агрегатному состо-
янию на газообразные, жидкие, твердые и твердеющие. К твердеющим относятся изоляционные материалы, которые при изготовлении изоляции являются
жидкими, а в рабочем состоянии — твердыми (лаки, компаунды).
По химическому составу эти материалы подразделяются на органические,
неорганические, элементоорганические.
Под органическими подразумевают соединения углерода, которые со-
держат также водород, кислород, азот и т.д.
К элементоорганическим изоляционным материалам относятся такие со-
единения углерода, в состав которых входят неорганические химические элементы (кремний, алюминий и ряд других).
Свойства электроизоляционных материалов оцениваются по тем же пока-
зателям, что и свойства диэлектриков.
68
1.10.2. Газообразные изоляционные материалы
Уд, вес, кг/м
3
1,29
1,25
0,089
6,7
Относительная диэлектрическая проницаЭлектрическая прочность кВ/мм
3,2
3,2
1,92
7,5
Удельная теплоемкость, кДж/кг К
1,005
1,06
14,5
0,62
Удельная теплопроводность, мВт/м К
24,0
24,0
166
–
Газообразные изоляционные материалы широко используются в электро-
технике благодаря ряду ценных качеств. Часто их присутствие неизбежно. Так,
воздух окружает большинство электротехнических устройств, а в воздушных
линиях электропередач является основным изоляционным материалом.
В табл. 1.2 приведены основные характеристики наиболее широко используемых на практике газообразных материалов: воздуха, азота, водорода и элегаза
(SF6). Воздух является естественным изоляционным материалом. В реальных
условиях всегда содержит некоторое количество водяного пара, который значительно ухудшает изоляционные свойства газа. Азот, обладая практически теми
же свойствами, что и воздух, является инертным газом, не вызывающим коррозии металлических частей электротехнических устройств.
Азот обычно применяется при повышенном давлении в кабелях, конден-
саторах и трансформаторах.
Водород, обладая высокими охлаждающими способностями, использует-
ся как изоляционный материал в крупных электрических генераторах.
Таблица 1.2
Основные показатели газообразных изоляционных материалов
Характеристики Воздух Азот Водород Элегаз
1,00059 1,0058 1,00027 1,0019
емость
Элегаз SF
обладает повышенной электрической прочностью, негорюч и
6
нетоксичен. Используется в силовых и измерительных трансформаторах, кабелях и конденсаторах высокого напряжения, выключателях и т.п.
Все без исключения газообразные диэлектрики обладают свойством вос-
станавливать свои изоляционные свойства после электрического пробоя. Это
69
свойство газов приводит к восстановлению работоспособности устройств че-
Трансформа-
Электрическая прочность,
Тангенс угла диэлектриче-
Относительная диэлектри-
Удельное объемное сопроТемпература вспышки, °С
135
200–230
200–220
150
Температура застывания, °С
–45
–8
–25
–60
рез определенный интервал времени после пробоя изоляции.
1.10.3. Жидкие изоляционные материалы
Все жидкие изоляционные материалы можно подразделить на нефтяные
(минеральные) масла, синтетические изоляционные, жидкости и растительные
масла.
Наибольшее применение в электротехнике нашли нефтяные (минераль-
ные) масла, которые в соответствии с их назначением подразделяются
на трансформаторные, кабельные и конденсаторные. Характеристики некоторых жидких изоляционных материалов приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Данные жидких изоляционных материалов
Характеристики
Совол Совтол ПЭС-Д
торное масло
15–20 14–18 15–20 18
кВ/мм
0,0006–0,001 0,002 0,002 0,0003
ских потерь
2,1–2,4 5 4,5–4,8 2,4–2,8
ческая проницаемость
1014–1015 1013–1014 1013–1014 1,25·1014
тивление, Ом·м
Совол и совтол представляют группу синтетических жидких диэлектри-
ков. Не горючи, но сильно токсичны. Используются в конденсаторах с целью
увеличения их емкости, так как обладают большой относительной диэлектрической проницаемостью. Имеют высокую температуру застывания, что исключает возможность применения совола и совтола при низких температурах.
Кремнийорганический жидкий изоляционный материал ПЭС-Д может
быть использован в широком диапазоне температур окружающей среды. Ис-
70