Пробой жидких диэлектриков

Электрический пробой жидких диэлектриков имеет много общих черт с пробоем газов. Под действием приложенного напряжения возникает эмиссия электронов из катода и «размножение» их в результате ударной ионизации нейтральных молекул жидкости. Искажение поля способствует появлению вторичных электронов и поддержанию самостоятельного разряда в виде стримеров. В технических жидких диэлектриках всегда содержится растворенный газ, который под действием приложенного напряжения имеет тенденцию собираться в маленькие пузырьки. Кроме того, выделяющаяся при развитии разряда теплота ведет к образованию новых пузырьков за счет испарения жидкого диэлектрика. Поэтому путь разряда в жидкости включает не только жидкую, но и газообразную фазу, что способствует развитию разряда.

Рис. 4.8 – Типичная зависимость электрической прочности трансформаторного масла от процентного содержания влаги (по Шпату)

Коронный разряд в изолирующих жидкостях протекает в форме стримеров, неустойчивых в пространстве и времени. В трансформаторном масле коронный разряд заметным образом не влияет на качество масла, однако в присутствии твердой органической изоляции коронный разряд может привести к резкому снижению электрической прочности изоляционной конструкции.

Когда стример пересечет весь разрядный промежуток, возникнет искровой разряд. Температура разрядного канала резко повышается, и в результате испарения весь канал оказывается заполненным сильно ионизированным газом (плазмой). Окружающая жидкая среда оказывает на разрядный канал сильное деионизирующее действие. Если пробой промежутка происходит под действием короткого импульса перенапряжения, то вероятность перехода импульсного разряда в устойчивую дугу мала и промежуток частично восстанавливает свою первоначальную электрическую прочность. Образовавшиеся в результате разложения масла искровым разрядом частички угля и пузырьки газа постепен­но рассеиваются в объеме масла, не сказываясь сколько-нибудь существенно на его дальнейшей электрической прочности. Подобная способность к «самозалечиванию» является характерной особенностью жидких диэлектриков с малой вязкостью.

Жидкости при давлениях до нескольких десятков атмосфер практически несжимаемы. Поэтому давление не может оказать влияния на разрядное напряжение идеально обезгаженной жидкости. В технических жидких диэлектриках содержится растворенный газ и давление передается через жидкость этому газу. С увеличением давления возрастает прочность газовых пузырьков и соответственно общая электрическая прочность жидкости.

Электрическая прочность Е_пр жидких диэлектриков и, в частности, изолирующих масел резко снижается при различного рода загрязнениях и особенно при увлажнении. Под действием электрического поля частицы загрязнения или капельки влаги, обычно обладающие большей относительной диэлектрической проницаемостью, чем жидкий диэлектрик, втягиваются в зону повышенных градиентов, образуя цепочки, направленные вдоль силовых линий. При перекрытии вдоль такой цепочки разрядное напряжение резко снижается.

В минеральных маслах вода может находиться в трех состояниях: а) в молекулярно-растворенном; б) в форме эмульсии, т. е. капелек диаметром около 10 мкм, и в) в виде отстоя на дне резервуара с маслом. В растворенном состоянии вода не оказывает существенного влияния на Е_пр. Резкое спадение Е_пр наблюдается в масле с водной эмульсией (рис. 4.8). Водный отстой сам по себе не влияет на Е_пр масла, но приувеличении температуры возможенего переход в эмульсионное состояние. Водный отстой является, таким образом, показателем резкого снижения изоляционных характеристикмасла.

Особенно значительно влияние влаги в присутствии частиц высокой гигроскопичности, например волокон твердой органической изоляции. В этом случае влага может пропитывать волокна, повышая их эквивалентное значение ε' и тем способствуя образованию из них цепочек, резко снижающих пробивное напряжение. При нагреве влага от волокон переходит в изолирующую жидкость, что сопровождается повышением электрической прочности.

Рис. 4.9. Вольт-секундная характеристика (нижняя огибающая разрядных напряжений) технически чистого трансформаторного масла в промежутке s= 6 смс резко неоднородным полем (по Панову).

В жидких диэлектриках наблюдается существенная зависимость разрядного напряжения от времени приложения напряжения (рис. 4.9). Подъем разрядного напряжения при временах, меньших 10 мксек, объясняется запаздыванием развития стримерного разряда аналогично запаздыванию разряда в газах. Снижение разрядного напряжения при временах, больших 10⁴ мксек(0,01 сек), связано с влиянием примесей; образование цепочек частиц, снижающих электрическую прочность масла, происходит относительно медленно. По этой причине примеси, в том числе увлажнение, практически не влияют на электрическую прочность масла при грозовых импульсах. С измене­нием формы и размера разрядного промежутка ход вольт-секундной характеристики может несколько изменяться.

Рис. 4.10 – Зависимость среднего пробивного напряжения технически чистого трансформаторного масла от расстояния между электродами стержень — плоскость. 1 — импульсная волна 1,5/40 мксекотрицательной полярности; 2— то же положительной полярности; 3 — плавный подъем напряжения промышленной частоты. 4— одноминутное воздействие напряжения промышленной частоты.

На рис. 4.10 приведены зависимости разрядного напряжения (среднего значения) от длины промежутка стержень – плоскость. Разрядные напряжения при положительной полярности ниже, чем при отрицательной. Этот эффект полярности объясняется аналогией в развитии положительного и отрицательного стримера в жидкостях и газах. При приложении переменного напряжения разряд происходит в полупериод положительной полярности. При плавном подъеме напряжения промышленной частоты пробивные напряжения заметно выше, чем при одноминутном его воздействии. Как и в газах, средний разрядный градиент у жидких диэлектриков возрастает с уменьшением разрядногопромежутка. Этот эффект особенно заметен в тонких слоях изоли­рующих жидкостей.

Пробивные напряжения жидких диэлектриков характеризуются весьма значительным разбросом относительно средних значений. Такой разброс при повторных пробоях связан в первую очередь с хаотическим характером процесса построения частиц примесей в цепочке вдоль силовых линий электрического поля. Кривая распределения Е_пр около среднего значения Е_пр50% следует нормальному закону. Чем больше примесей в изолирующей жидкости, тем больше должен быть разброс Е_пр. Это подтверждается следующими цифрами: неочищенное трансформаторное масло имеет разброс значений Е_пр, от 30 до 50%, а при очистке масла центрифугой разброс снижается до 5—10%. Таким образом, разброс Е_пр, может также служить показателем чистоты масла.

В жидких диэлектриках при плохом теплоотводе возможна и тепловая форма пробоя, аналогичная пробою твердых диэлектриков. Такая форма, естественно, исключена в тех конструкциях (например, трансформаторы), в которых обеспечена циркуляция жидкости.