Основные теоретические положения
Пробой газов обуславливается процессами ударной ионизации и фотоионизации. При приложении электрического поля к разрядному промежутку свободные заряды (заряды и ионы) получают некоторую добавочную скорость в напряжении поля, причем они приобретают дополнительную энергию
W= q Uλср,
где q – заряд частицы;
Uλср – падение напряжения на длине свободного пробега.
Если поле однородно, то можно считать
Uλ = Е λ,
где Е – напряжение поля в газе;
λ – средняя длина свободного пробега заряженной частицы.
Отсюда W= Е q λ.
При столкновении с молеколой газа заряженные частицы передают ей энергию. Если эта энергия достаточно велика, то молекулы распадаются на свободные электроны и ионы, т.е. происходит ударная ионизация.
Электрическая прочность газов в значительной мере зависит от условий эксперимента внешних факторов. На величину Епр газа влияет форма поля между электродами, материал электродов, расстоянием между ними, давление, температура, влажность, частота переменного напряжения и время приложения Uпр .
Электрическая прочность жидких диэлектриков в слабой степени зависит от химической природы, но весьма существенно – от инородных примесей.
Эти примеси в жидкостях могут давать растворы и дисперсные фазы, при чем наибольшее влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков оказывают дисперсные фазы в виде эмульсий и растворов. Некоторые жидкие диэлектрики, предельно освобожденные от примесей имеют чрезвычайно высокую электрическую прочность порядка 1500 - 1700 кВ/см, в то время, как жидкости технической очистки обладают электрической прочностью порядка 150 кВ/см.
Одним из наиболее распространенных жидких диэлектриков является трансформаторное масло.
В химическом отношении трансформаторное масло представляет собой смесь различных углеводородов, что уже определяет его неоднородность.
Кроме этого, масло достаточно легко воспринимает из воздуха влагу, резко снижающую его электрическую прочность. Трансформаторное масло довольно быстро окисляется воздухом, а в окисленном виде разрушающе действует на твердую изоляцию, с которой оно соприкасается. При этом продукты распада, находясь во взвешенном состоянии объема масла, весьма заметно снижает его электрическую прочность.
Влияние различных факторов на электрическую прочность трансформаторного масла
Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры.
Влияние температуры на пробивное напряжение трансформаторного масла технической очистки характеризуется графиком, представленным на рис.1.
Возрастание пробивного напряжения в точке d (область температур 60-80°С) объясняется влиянием вида распределения воды в масле - вода находится в стадии молекулярного раздробления, переходя в нее из состояния эмульсии.
Увеличение пробивного напряжения в области низких температур является следствием вымерзания воды. Снижение пробивного напряжения ниже температуры 90-95°С, т.е. когда масло находится уже в твердом состоянии, объясняется образованием в нем трещин.
Особенно сильно на электрической прочности трансформаторного масла сказывается содержание в нем эмульсионной влаги.
Из рис.2 видно, что уже сотые доли процента воды в масле резко снижают его электрическую прочность. Как видно, содержание влаги выше 0,04% уже не влияет на электрическую прочность масла. При количестве влаги, превышающем 0,04%, она уже не может находиться во взвешенном состоянии и выпадает на дно сосуда, не увеличивая влагосодержания в объеме масла.
Влияние влаги особенно заметно в случае наличия в трансформаторном масле органических волокон, которые, впитывая в себя влагу, образуют под действием электрического поля проводящие мостики между электродами, значительно уменьшая пробивное напряжение. Так, например, при содержании влаги в 0,02–0,05 % и полном отсутствии в масле органических волокон его электрическая прочность может еще достигать 140 – 150 кВ/см.
На электрическую прочность трансформаторного масла существенное влияние оказывает содержание в нем газовых включений. В силу этого, включение напряжения после заливки масла в трансформатор или какой–либо аппарат следует производить, выждав некоторое время, во избежание пробоя масла. На рис.3 видно, как повышается электрическая прочность хорошо очищенного трансформаторного масла в зависимости от времени его заливки в сосуд до подачи напряжения.
Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от времени выдержки под напряжением. График показан на рис.4.
Кроме перечисленных факторов, на величине пробивного напряжения жидких диэлектриков весьма резко сказывается форма электродов и расстояние между ними. С увеличением расстояния между плоскими электродами и увеличением диаметра сферических электродов пробивная напряженность электрического поля жидких диэлектриков снижается – «эффект объема».