8.3 Теоретические сведения.

В любом техническом диэлектрике пробой изоляции в месте дефекта начинается с частичным по отдельным элементам или слоям изоляции. Возникновение частичных разрядов в большинстве типов изоляции совершенно недопустимо, т.к. оно приводит к интенсивному разложению диэлектрика и распространению дефекта. Обнаружение частичных разрядов в изоляции при приложении высокого напряжения является одним из методов профилактических испытаний изоляции, когда через диэлектрик протекает емкостный ток, который замыкает ток частичных разрядов в изоляции.

Частичные разряды (ЧР) в инородных включениях (чаще всего в газовых) вы­соковольтной изоляции энергетического оборудования являются одним из основных факторов, ограничивающих срок ее службы и надежность. По опреде­лению, принятому в ГОСТ 20074-74, частичными разрядом называется элек­трический разряд, шунтирующий часть изоляции между электродами, находя­щимися под разными потенциалами.

Под воздействием ЧР происходят следующие процессы:

1) эрозия материала - разрушение поверхности включения за счет бомбарди­ровки ее электронами и ионами в процессе ионизации; на это затрачивается примерно половина энергии ЧР; энергия электронов может достигать примерно 25-30 эВ;

2) Структурное изменение и разрушение - деструкция, сшивка поли­мерных цепей, разложение, связанные с пунктом 1;

3) нагрев диэлектрика, прилегающего к включению, т. к. температура канала ЧР составляет 710 - 880 К;

4) механическое разрушение за счет образования ударных волн при разрядах, давление в канале разряда достигает 3,7 10⁵ Па(^Н/_м² )

Структурные изменения приводят к ухудшению ряда электрических ха­рактеристик: уменьшается Е_пр, растет tgδ и проводимость γ, изменяется ε.

В связи с этим характеристики ЧР в большинстве случаев (особенно для слоистой изоляции) являются определяющими для выбора допустимых рабо­чих и испытательных напряженностей изоляционных конструкций. Различают два существенно отличающихся вида разряда - начальный и критический. На­чальные ЧР - это разряды слабой интенсивности, не приводящие к заметному разрушению изоляции при длительном (тысячи часов) воздействии. Уровень начальных ЧР составляет 10^-12...10^-11 Кулон. Критические ЧР - это разряды большой интенсивности, вызывающие быстрое (часы, минуты) разрушение. Уровень критических ЧР составляет 10^-10...10^-7 Кулон, в зависимости от вида изоляционного материала и конструкции высоковольтного оборудования.

Частичные разряды возникают при постоянном, переменном и импульсном напряжениях, но наиболее опасны на переменном и импульсном напряжениях, т.к. в этих случаях диэлектрик протекает значительный емкостный ток.

8.3.1 Закономерности развития чр.

Рассмотрим в качестве модели плоский конденсатор с однородным ди­электриком, в котором имеется воздушное включение. Эквивалентная схема диэлектрика емкостью С_х мо­жет быть представлена тремя емкостями (рис. 8.1):

С_в - емкостью элемента ди­электрика участвующая в ЧР (емкость включения);С_д - емкостью элемента ди­электрика, включенного последовательно с первым; С_а - емкостью остальной части диэлектрика, лишенной включений.

При этом: С_x=C_a+ (8.1)

Возникновение ЧР произойдет тогда, когда напряжение на включении (рис. 8.1, емкость С_в) достигнет пробивного значения U_В.З.- - напряжения зажи­гания разряда во включении. Так, например, при включениях в форме прослой­ки, вытянутой поперек силовых линий поля, напряженность во включении Е_в связана с напряженностью в остальной части диэлектрика Е_д соотношением:

Е_в/Е_д = ε_д/ε_в, (8.2)

где ε_в - диэлектрическая проницаемость включения;

ε_д - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Отношение Е_в к средней напряженности Е_ср=U/(d_д+d_в) равно

(8.3)

Таким образом, соотношение Е_в/ Е_ср зависит от d_в/ d_д .Если d_в/ d_д<<1, то

Е_в/ Е_ср= ε_д/ ε_в.

Для сферического или эллипсоидального включения

(8.4)

Электрическая прочность газа во мало отличается от электрическая прочность газа между металлическими электродами. Если поле во включении однородно (плоские включения, вытянутые поперек поля, или сферические включения), то пробивное напряжение связано с размерами включения (его толщиной) и давлением газа во включении законом Пашена. Зависимости пробивного напряжения U_пр от давления газа во включении р и толщины включения d_в для различных газов приведены на рис 8.2. При размерах включения порядка десятков микрометров и давлении, близком к атмосферному, пробивное напряжение лежит вблизи минимума кривой Пашена, слабо изменяется при изменении размеров включения и составляет приблизительно 250-300 в.

В случае газообразных включений напряженность во включении превы­шает напряженность в диэлектрике: так как ε_д > ε_в, то Е_в > Е_д .

Соотношение между напряженностью во включении и средней напряжен­ностью будет зависеть от соотношения между толщинами диэлектрика и вклю­чения.

Если ввести обозначения: d_д - толщина диэлектрика, расположенного последовательно с включением; d_в - толщина включения; U - напря­жение на электродах образца, то для эквивалентной схемы имеем:

(8.5)

Рис.8.1 Эквивалентная схема при рассмотрении ЧР в диэлектрике

Емкость С_в представляет собой емкость воздушного включения, шунтируемую частичным разрядом, С_д - емкость диэлектрика, находящаяся в пределах силовых линии электрического поля, пересекающих воздушное включение , С_а - емкость остальной части диэлектрика.

Если напряжение на воздушном включении превысит разрядное U_в U_рв возникает ионизация, которая в большинстве случаев имеет форму искрового разряда. Напряжение в этом случае падает практически до нуля. В результате этого напряжение на объекте уменьшится на величину.

(8.6)

В дальнейшем оно быстро восстанавливается за счет зарядки емкости объекта. В момент частичного разряда через воздушное включение проходит кратковременный ток i_p , который сопровождается импульсом тока I во внешней цепи, связанным с зарядной емкости объекта после понижения напряжения на величину . Ток частичного разряда имеет форму кратковременного пика длительностью 10^-7…10^-8сек. Серия таких импульсов обладает определенным спектром частот, лежащих в пределах от сотен килогерц до 10 и более мГц. Разряд емкости приводит к кратковременному снижению напряжения на объекте и появлению всплеска тока во внешней цепи. Поэтому наличие частичных разрядов может быть обнаружено в принципе тремя методами:

1. путем измерения напряжения на объекте,

2. измерение тока во внешней цепи,

3. измерения интенсивности электромагнитных волн, излучаемых частичным разрядом во внешнее пространство.

При включениях в виде прослоек жидкого диэлектрика для определения напряженности во включении остаются в силе приведенные выше соотноше­ния (8.2- 8.5). Пробивная напряженность жидкого диэлектрика также сущест­венно возрастает с уменьшением толщины включения. В качестве примера на рис. 8.3 приведена зависимость пробивной напряженности нефтяного мас­ла от толщины зазора d_м.

Рис. 8.2 Пробивное напряжение газов в зависимости от давления и расстоя­ния между электродами в равномерном поле. 1 - воздух, 2 – водород

Рис.8.3 Зависимость пробивной напряженности масляной прослойки от толщины для равномерного поля в зазоре, прилегающем к электроду (штриховой, линия - область разброса пробивных напряженностей).

ЧР наиболее четко выявляются при приложении переменного напряже­ния. Ионизация воздушных включений способствует образованию проводя­щего слоя на стенках полости в диэлектрике. Если поверхностная проводи­мость значительна (большие прослойки жидкого диэлектрика), то ЧР во включении будут более мощными и сосредоточенными в одном канале.

При пробое включения (емкости С_В) ионы, образующиеся в процессе разряда, заряжают поверхность включения и создают поле, обратное по на­правлению основному полю. После разряда емкости включения С_В, большая плотность тока, необходимая для поддержания устойчивого разряда, не возникает и он гаснет. Образование полупроводя­щего слоя на поверхности включения также не может привести к поддержа­нию разряда вследствие незначительной емкости включения. При пробое на­пряжение на включении падает не до нуля, а до определенного значения U_в._п. при котором разряд гаснет. Напряжение погасания при размерах газового включения или масляной пленки порядка 10-100 мкм меньше соответствую­щего пробивного напряжения и может быть в пределах

U_в.г. ~(0.1..0.9)U_в.з. (8.7)

После разряда емкости С_в происходит как бы запирание разряда в об­разовавшемся канале; поэтому разряд непрерывно перемещается по поверх­ности воздушной полости. Момент возникновения разряда на новом месте характеризуется броском тока в цепи с диэлектриком (рис.8.4.).

Рис. 8.4 Изменение напряжения и тока при возникновении единичного ЧР на переменном напряжении

При перемене полярности основного поля, электрическое поле заряда на поверхности воздушной полости совпадает с основным полем поэтому разряд в полости происходит при меньших напряжениях.

Величина броска тока определяется в основном спадом напряжения на канале с U_В.3 до U_в._п. Площадь пика тока равна:

q = С_в(U_в.з-U_в.п), (8.8)

где С_в - емкость поверхности, с которой возникает канал разряда. Разряды в воздушных полостях вызывают кратковременное снижение напря­жения на испытуемой изоляции. Так, если при Uв.т на дефектной изоляции произойдет разряд внутри включения (U_В.3 - U_в._п.), то сопротивление полости снижается скачком до минимальной величины, а напряжение на включении снизится на = (U_В.3 - U_в._п.), это внезапное изменение напряжения может быть зарегистрировано.

Напряжение на электродах объекта, соответствующее возникновению ЧР, сокращенно называется напряжением ЧР U_чр. Связь между U_чр и U_В.3 мо­жет быть установлена из рассмотрения эквивалентной схемы рис. 8.1 :

(8.9)

Длительность процесса пробоя включения (длительность ЧР) в боль­шинстве случаев весьма мала - порядка (З.ЛО)10^-9 с. Лишь при мощных кри­тических ЧР, представляющих собой разветвленные скользящие разряды или пробои больших (порядка 1 см и более) прослоек жидких диэлектриков, дли­тельность ЧР может быть больше (до 10^-7 – 10^-6 с.).