Мероприятия по повышению пробивного напряжения жидких диэлектриков в электроустановках.

Пробой технически чистых жидких диэлектриков.

Теория электрического пробоя

В соответствии с теорией электрического пробоя плазменный газоразрядный канал образуется в результате эмиссии электронов из катода (начальный акт пробоя), электронной ударной ионизации и фотоионизации молекул диэлектрика.

Механизм пробоя в данном случае рассматривается аналогично механизму пробоя в газах. Более высокие значения электрической прочности жидкие диэлектрики имеют, очевидно, потому, что их плотность больше плотности газов примерно в 1000 раз. Следовательно, примерно на эту величину меньше средняя длина свободного пробега электрона λ. Поэтому, чтобы электрон на пути длиной λ накопил энергию, достаточную для ионизации нейтральной молекулы (W > W_и), необходима более высокая напряженность электрического поля.

Таким образом, на первый взгляд, можно ожидать, что электрическая прочность идеального жидкого диэлектрика больше Е_пр воздуха во столько раз, во сколько λ жидкого диэлектрика меньше λ воздуха.

Однако одновременное действие механизмов теплового и электронного пробоя искажает эту зависимость.

 

На основании теорий теплового и электрического пробоев жидких диэлектриков можно заключить, что на механизм пробоя жидких диэлектриков, даже тщательно очищенных, наряду с электронными процессами — эмиссией электронов из катода, электронной ударной ионизацией и фотоионизацией — большое влияние оказывают и тепловые процессы, вызванные диэлектрическими потерями.

На электрическую прочность технически чистых жидких диэлектриков в первую очередь влияют: природа самого диэлектрика, природа, концентрация и состояние примеси. Особенно сильное влияние оказывают вода в виде эмульсии или суспензии (льдинки), температура, частота напряжения и форма электродов.

Влияние природы жидких диэлектриков на их электрическую прочность. Установлено, что с увеличением плотности жидкости и ее молекулярной массы Епр обычно возрастает. Такой характер зависимости можно объяснить тем, что с увеличением плотности (а также молекулярной массы) уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, поэтому для формирования разряда необходима более высокая напряженность электрического поля.

На электрическую прочность жидких диэлектриков значительное влияние оказывает их полярность. При постоянном и переменном (50 Гц) напряжениях Епр линейно снижается с увеличением ε жидкостей. Объясняется это тем, что с увеличением ε возрастает мощность Р, рассеиваемая в диэлектрике (Р = U²ωCtgδ = U²ω tgδ ε₀ ε S /h), и усиливается роль «тепловой» формы пробоя.

Влияние природы примеси на электрическую прочность. В процессе эксплуатации жидких диэлектриков (например, нефтяного трансформаторного масла) в случае их соприкосновения с воздухом, всегда содержащим влагу, последняя попадает в диэлектрик, увлажняя его. Кроме того, вода в нефтяных электроизоляционных маслах образуется в результате процессов старения (термоокислительной деструкции). Степень увлажнения жидких диэлектриков зависит не только от их природы (величины е), но также от природы и концентрации примеси и влажности окружающего воздуха.

Вода в эмульгированном состоянии (т. е. в виде капелек диаметром « 10 мкм) уже в небольшой концентрации (0,005—0,01 %) резко снижает электрическую прочность масел (рис. 5.17). Объясняется это тем, что под действием электрического поля капельки эмульгированной воды втягиваются в места с наибольшей напряженностью поля, поляризуются, приобретают форму эллипсоидов, которые и образуют цепочки, соединяющие электроды. Из-за большой разности в значениях ε масла и воды электрическое поле в местах локализации цепочек становится резко неоднородным. Кроме того, существенно возросшие диэлектрические потери приводят к местному перегреву образовавшихся цепочек, образованию газовых каналов, по которым и развивается пробой при гораздо более низком напряжении.

Электрическая прочность увлажненного масла особенно сильно снижается, когда оно загрязнено твердыми гигроскопичными частицами (волоконцами бумаги, ткани и т. п.). Интенсивно поглощая влагу, эти частицы значительно увеличивают свою диэлектрическую проницаемость, втягиваются в места с наибольшей напряженностью поля и образуют цепочки, соединяющие электроды, по которым и развивается пробой.

Жидкие диэлектрики всегда содержат в растворенном или свободном состоянии газ, количество которого зависит от температуры и давления. С увеличением содержания газа образуются пузырьки и Епр диэлектрика снижается главным образом вследствие увеличения неоднородности электрического поля и местного перегрева, вызванного ионизационными потерями.

Влияние температуры на электрическую прочность нефтяного трансформаторного масла. Максимально допустимая температура нефтяного трансформаторного масла не должна превышать 95°С, так как при этой температуре оно сравнительно быстро начинает окисляться, свойства его ухудшаются и Епр снижается.

Электрическая прочность хорошо высушенного нефтяного трансформаторного масла практически не зависит от температуры вплоть до 80 °С. Выше 80 °С в результате интенсивного испарения низкомолекулярных фракций и образования в масле большого количества пузырьков газа Unp снижается, так как электрическое поле в масле становится неоднородным. Unp также снижается вследствие местного перегрева, вызванного ионизационными потерями в пузырьках газа.

 

На основании вышеизложенного можно сделать обобщающий вывод: наличие в жидком диэлектрике нерастворенной примеси в виде эмульсии или суспензии увеличивает неоднородность электрического поля и резко снижает тем самым электрическую прочность диэлектрика. При этом, чем больше разница между значениями ε жидкого диэлектрика и е нерастворенной примеси, тем больше неоднородность образующегося электрического поля и тем ниже электрическая прочность жидкого диэлектрика.

 

Влияние частоты напряжения на электрическую прочностьжидких диэлектриков. С увеличением частоты напряжения Епр технически чистого нефтяного трансформаторного масла возрастает на 25—30 % (по отношению к Епр, измеренному при 50 Гц), проходит через максимум при частоте 800 Гц и далее снижается.

 

Повышение Unp жидких диэлектриков (например, нефтяных масел) и соответственно Uраб электроустановок (например, трансформаторов) достигается путем покрытия токоведущих частей твердыми электроизоляционными материалами и использования изолирующих барьеров.

Применение покрытий. Примесь в нерастворенном виде (капельки воды, волоконца и т. п.), всегда присутствующая в технически чистых жидких диэлектриках (нефтяных маслах), осаждается на голых токоведущих частях (проводах) и проявляет себя как проводящие острия, начиная коронировать при относительно низких напряжениях, снижая Unp. Если эти провода покрыть слоем твердого диэлектрика, то волоконца, полупроводящие и проводящие частицы примеси, не будут на них осаждаться. При переменном напряжении покрытия могут повышать Unp нефтяного трансформаторного масла на 25—70 %.

Толщина покрытия выбирается обычно от 1 до 6 мм.

Применение изолирующих барьеров. Изолирующие барьеры препятствуют образованию проводящих цепочек из примеси (например, капелек воды и волоконцев). Изготавливают их обычно из электрокартона, бакелитизированной бумаги и т. п. толщиной в несколько миллиметров. Изолирующие барьеры особенно эффективны в неоднородных полях. Например, в поле, образованном системой электродов «стержень-плоскость» (резконеоднородное поле), барьер может повысить Unp на 40-60 %