Электрическая прочность внутренней изоляции

2.1. Электрический пробой внутренней изоляции

Этот пробой связан с кратковременным повышением напряженности электрического поля в диэлектрике и характеризуется кратковременной электрической прочностью. Для внутренней изоляции различают два вида пробоя: электрический и тепловой.

При электрическом пробое образование и быстрое размножение подвижных заряженных частиц в изоляции происходит непосредственно под действием сильного электрического поля.

В случае теплового пробоя электрическое поле обусловливает сильный разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до теплового разрушения, которое сопровождается переходом диэлектрика в состояние повышенной проводимости.

Обычно под кратковременной электрической прочностью понимают минимальную напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой. Напряжение, при котором достигается данная напряженность электрического поля называют пробивным напряжением.

Электрический пробой в изоляторах напоминает пробой в газах. Помимо твердого изоляционного материала используются жидкие материалы. Важное значение, в отличии от газов, в развитии пробоя твердой и жидкой изоляции играет ее однородность то есть наличие примесей с меньшей электрической прочностью (влаги, газов и т.д.).

2.2.Тепловой пробой внутренней изоляции

При воздействии на изоляцию переменного напряжения U, количество теплоты , выделяющейся в единицу времени:

где C – емкость изоляции; - тангенс угла диэлектрических потерь; ω – угловая частота.

Количество тепла , отводимого от изоляции в окружающую среду:

где S – поверхность изоляции; k – коэффициент теплоотдачи; - температура изоляции и температура окружающей среды.

У большинства изоляционных материалов величина с ростом температуры увеличивается:

где - температура, при которой , a – коэффициент, зависящий от вида изоляции.

С увеличением напряжения количество выделяемого тепла быстро растет, а количество отдаваемого тепла за счет теплоотдачи увеличивается медленно. Поэтому температура диэлектрика будет непрерывно нарастать, и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических свойств (вплоть до обгорания).

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводность самой изоляции, других элементов конструкции, а также тепловыделением в токоведущих частях (проводах, изолированных обмотках). При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если . Все пробои относятся к кратковременной прочности изоляции.

2.3. Длительная электрическая прочность изоляции

В процессе эксплуатации характеристики изоляционных конструкций изменяются. Качество изоляции с течением времени ухудшается: электрическая и механическая прочности снижаются, диэлектрические потери и проводимость утечки растут (происходит так называемое естественное старение). Старение изоляции принято исчислять в сроках ее жизни , который оценивают в годах.

Зависимость срока жизни изоляции от величины воздействущего напряжения обычно представляют в виде . В логарифмическом масштабе график этой зависимости близок к падающей прямой линии рис.2.1.

Рис.2.1. Зависимость срока жизни изоляции от величины напряжения

Это означает, что «кривые жизни» могут быть представлены формулами, для среднего значения , в виде:

где n – показатель: для переменного напряжения 4,0 – 7,0, для постоянного напряжения 8,0 – 12,0. Коэффициенты зависят от физико-химических свойств диэлектриков и здесь не рассматриваются.

2.4. Частичные разряды в изоляции

Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции являются так называемые частичные разряды. Они представляют собой пробои отдельных слоев или участков изоляции, толщина которых много меньше полной толщины изоляции.

Частичные разряды возникают при некотором напряжении а точнее – напряженности , в местах усиления электрического поля, или там, где имеются местные ослабления изоляции, например в газовых включениях. При напряжениях частичные разряды в изоляции отсутствуют, и электрическое старение не происходит.

Рассмотрим двухслойный диэлектрик (рис.2.2) в конденсаторе.

Рис.2.2. Двухслойный диэлектрик конденсатора

В начальный момент приложения напряжения распределение напряжения по слоям происходит обратно пропорционально емкости слоев:

При одинаковой площади и толщине слоев напряжение между ними оказывается обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям:

так как

Допустим, что такое соотношение может иметь место в бумажно-масляной изоляции при газовых включениях, при условии, что диэлектрическая проницаемость газа в шесть раз меньше, чем масла. В последующем, из-за различного сопротивления утечки слоев, это соотношение меняется. Кроме того, толщина и площадь слоев здесь взяты одинаковыми, что в реальных условиях конечно же не выдерживается. Тем не менее, показано, что при газовых включениях, не превышающих долей миллиметра в них могут возникать большие напряженности электрического поля и даже разряд. Схема изоляции с газовым включением (а) и схема ее замещения (б), приведены на рис.2.3.

Рис.2.3. Схема изоляции с газовым включением (а) и схема ее замещения (б)

Итак, частичные разряды (ЧР) в высоковольтной изоляции возникают в газовых включениях или в прослойках жидкого диэлектрика. Газовые включения могут появляться в изоляции в процессе изготовления (например, вследствие усадки масс и компаундов и прочее), или возникать вследствие растрескивания или расслоения изоляции от механических нагрузок, или при разложении диэлектриков с выделением газов.

Обычно размеры включений в высоковольтной изоляции не превышают долей миллиметра и составляют весьма малую часть от полной толщины изоляции. Однако они представляют собой слабые места в изоляции, так как газы имеют меньшую электрическую прочность, чем твердые и жидкие диэлектрики. Это является следствием того, что напряженности, что напряженности во включениях выше, чем в основной изоляции, из-за различия диэлектрических проницаемостей и окружающих включение диэлектриков.

Рассмотрим схему замещения рис.2.3 (б). На этой схеме – емкость газового включения; – емкость участка изоляции, расположенного последовательно с включением, – емкость всей остальной изоляции. Срабатывание разрядника Р имитирует пробой газового включения. Сопротивление R условно изображает сопротивление канала разряда во включении.

Так как емкость включения невелика, то есть , то все напряжение прикладывается практически ко включению, что и вызывает разряд. Разряд через сопротивление практически мгновенно уменьшает до нуля, после чего он гаснет. Однако восстановление напряжения , после погасания разряда, приводит к последующим разрядам (частота до 10⁸ Гц).

Разрушение изоляции под действием ЧР происходит главным образом вследствие бомбардировки диэлектриков электронами из канала разряда во включении (газовое включение). Абсолютная величина энергии, рассеиваемая в разряде невелика, однако она воздействует на весьма малый участок поверхности включения, где происходит мгновенное повышение локальной температуры, иногда до нескольких сотен градусов. Как следствие такого воздействия происходит разрушение малого объема диэлектрика с образованием побочных, иногда химически активных продуктов. Затем разряды концентрируются в образовавшихся углублениях, которые со временем растут, образуя в диэлектрике узкие («древовидные») каналы – щели. По мере удлинения каналов электрическая прочность изоляции снижается. Поэтому длительная работа внутренней изоляции может быть обеспечена лишь при ограниченной интенсивности ЧР.