2. Тепловой пробой твердых диэлектриков

Тепловой пробой возникает вследствие нарушения теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи в диэлектрике. В результате диэлектрических потерь материал диэлектрика нагревается и происходит процесс тепловыделения, который выражается уравнением диэлектрических потерь:

где – приложенное к диэлектрику напряжение, В;

– частота изменения напряжения, Гц;

– электрическая емкость диэлектрика, Ф;

– тангенс угла диэлектрических потерь.

Образующееся тепло выделяется в окружающую среду, благодаря процессам теплопроводности токопроводящих частей установки и конвекции воздуха – происходит теплоотдача. Процесс теплопередачи выражается с помощью формулы Ньютона:

где – коэффициент теплоотдачи, ;

– площадь поверхности диэлектрика, ;

– температура поверхности диэлектрика, К;

– температура окружающей среды, К.

Условие теплового равновесия имеет вид:

В случае нарушения равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи (тепловыделение превышает теплоотдачу) диэлектрик разогревается, что приводит к тепловому разрушению материала и потере электрической прочности.

Первые работы по исследованию механизмов теплового пробоя принадлежат Вагнеру, Гюнтершульцу и Штейнметцу и относятся к началу ХХ века [4, с .92]. Основные теории теплового пробоя твердого диэлектрика представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Основные теории теплового пробоя

Еще в первой теории теплового пробоя, предложенной Вальтером, отмечалось, что вероятность пробоя существенно повышается в диэлектрике с неоднородной структурой. В той части диэлектрика, где наблюдается структурная неоднородность (пора или микротрещина, заполненная маслом или водой) возникают наибольшие релаксационные потери и наибольшая плотность тока, поэтому выделяется наибольшее количество теплоты [2, с. 132]. Несмотря на все выявленные недостатки, теория Вагнера дает наглядное представление о процессах, происходящих при тепловом пробое [4, с. 94].

3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков

Электрохимический пробой возникает в результате электрического старения диэлектрика под воздействием окружающей среды и электрического поля. Воздействие внешних факторов приводит к протеканию в диэлектрике необратимых химических процессов, в результате физико-химические характеристики материала ухудшаются и его электрическая прочность снижается.

Различают естественное и электрическое старение твердых диэлектриков. Естественное старение происходит не только при использовании диэлектрического материала, но и при его хранении и обусловлено воздействием воздуха, солнечных лучей и других факторов окружающей среды. Электрическое старение происходит под действием приложенного напряжения преимущественно в порах, заполненных воздухом или влагой [2, с. 136].

Скорость электрического старения и механизмы химических процессов зависят от внешних условий и материала диэлектрика. Экспериментально доказано, что основной причиной старения органической изоляции, к которой можно отнести бумажную составляющую электроизоляционной системы энергетического оборудования, в сильном электрическом поле являются частичные разряды, протекающие в газовых порах [4, с. 188]. Процессы, приводящие к электрическому старению диэлектрика, достаточно разнообразны [4, с. 189] и представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Основные механизмы электрохимических процессов

В твердых диэлектриках, в том числе в бумажно-масляной изоляции, имеются различные дефекты – трещины, поры и другие инородные включения. Включения, заполненные жидким или газообразным диэлектриком (маслом или воздухом), имеют более низкую электрическую прочность [1]. Поэтому при приложении напряжения большего, чем , во включениях начинают протекать частичные разряды, при этом ионы и электроны бомбардируют стенки газовых пор, что приводит к электрической эрозии и разрушению стенок [7, с. 41–49; 2, с. 136]. В результате объем пор увеличивается преимущественно вдоль силовых линий поля с образованием дендритов, эффективная толщина изоляции уменьшается и пробой наступает при более низкой напряженности электрического поля.