Ионизационный пробой изоляции

В технической изоляции могут возникать газовые включения. В этих включениях напряженность поля возрастает, электрическая же прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика. Поэтому в газовых включениях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее в конечном счете к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным.

Рис. 4.14. Схема замещения изоляции с газовым включением на переменном напряжении.

Особенности ионизационных процессов удобно проследить по схеме замещения изоляции, показанной на рис. 4.14. Емкость газового включения С₁ соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С₂; основная масса диэлектрика имеет емкость Разряд в газовом включении имитированпробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С₁. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение U₀ распределяется обратно пропорционально C₁ и С₂ – синусоидальная кривая напряжения на емкости C₁ показана на рис. 4.15 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно U_пр. В точке 1 происходит ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения, сливающегося на рис. 4.15 с нулевой линией. Но вследствие малого значения емкости С₂ мал и ток в ИП,и искра, не переходя в дуговой разряд сразу же гаснет. Начинается восстановление напряжения на емкости С₁ по кривой, эквидистантной пунктирной синусоиде. Как только напряжение на ИП достигает U_пр вновь происходит его пробой, гашение искры, восстановление напряжения и т. д. Кривая напряжения на С₁ приобретает форму, показанную на рис. 4.15 сплошной линией.

Рис. 4.15. Кривая напряжения на емкости С₁ (газовом включении) схеме на рис. 4.14. 1 — при отсутствии пробоя ИП; 2— при пробое ИП.

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд . Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С₁, равным

(4.16)

где С₀ — общая емкость диэлектрика, приближенно равная С+С₂.

Так как величины C₁ и С₂ неизвестны, для характеристики процесса удобно ввести величину кажущейся интенсивности ионизации

(4.17)

Используя эту величину, из формулы (4.16) находим:

(4.18)

Измеряя ΔU₀, можно определить и значение ΔQ₀.

Как видно из кривой на рис. 4.15, серия разрядов в воздушном включении повторяется каждые полпериода. Следовательно, число их пропорционально частоте приложенного напряжения. С увеличением амплитуды приложенного напряжения число разрядов за полупериод возрастает.

Проследим теперь за дальнейшим развитием процесса. Нейтрализация заряда ΔQ связана с рассеиванием энергии (C₁ΔQ,)/2 переходящей в тепло. В твердой синтетической изоляции, например полиэтилене или полистироле, возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно возникает канал; по мере удлинения которого рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в канале часто образуются вещества типа смолы; зачастую при этом канал обуглероживается и становится проводящим. В этих случаях разряды прекращаются, но возникает новая — электрическая или тепловая форма пробоя. Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и масляно-барьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей. Тепло, выделяющееся в газовом включении при разряде, вызывает разложение масла и образование новых пузырьков газа (водорода). Микроскопические исследования показали, что этот процесс имеет характер кипения масла. По мере роста газовых пузырьков, вытесняющих масло, растут и ионизационные процессы, пока продукты разложения жидкой и твердой фаз изоляции не заполнят образующиеся газовые включения. В твердой изоляции возникают каналы, заполненные смолистыми веществами с низкими изоляционными свойствами, или обуглероженные каналы высокой проводимости. Высокие напряженности поля на конце этих каналов ведут к новому образованию газовых пузырьков и дальнейшему прорастанию разряда. Обычно возникают основной и побочные пути роста углеродистых дорожек, так что в целом разряд напоминает ствол дерева с ветвями. Поэтому такой разряд часто называют ветвистым. Разряд развивается в течение многих дней и даже месяцев и лет. Часто ветвистый разряд поражает лишь небольшой участок поверхности диэлектрика в изоляционной конструкции.

Ионизационный пробой обычно начинается в местах с наиболее высокой напряженностью поля. Особенно опасны тангенциальные составляющие поля вдоль слоев бумаги. Поэтому в изоляционных конструкциях стремятся избежать высоких тангенциальных составляющих.

Ионизационный пробой развивается во времени очень медленно. Поэтому наличие газовых включений практически не сказывается на прочности изоляции при импульсных воздействиях. Однако каждый импульс высокой амплитуды вызывает разряд в газовых включениях и оставляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ионизационного пробоя ярко выражен кумулятивный эффект: электрическая прочность существенно понижается при большом числе импульсных воздействий.

Характеристикой изоляции в отношении ионизационных явлений служит, напряжение ионизации, т. е. такое приложение напряжения рабочей частоты, при котором в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем.