Электрооборудования электроэнергетических систем.
Внутренней изоляцией называют те элементы электрической изоляции установки, в которых изоляционные промежутки заполнены газообразными, жидкими или твердыми диэлектрическими материалами или их комбинациями, но не атмосферным воздухом.
Жидкие диэлектрики можно классифицировать по их природе на следующие группы:
1) углеводороды минеральные — продукты перегона нефти и каменного угля (трансформаторное, конденсаторное и др. масла);
2) углеводороды растительные (касторовое, льняное и другие масла);
3) хлорированные углеводороды ароматического ряда (хлордифенил, совтол);
Кремнийорганические соединения.
Твердые диэлектрики бывают:
- неорганические (электрофарфор, стекло, слюда, асбест и др.),
- органические на основе целлюлозы (бумага и картон, фибра, гетинакс и текстолит, пропитанная древесина),
- синтетические (полиэтилен, полистирол, фторопласт и др.),
- эпоксидные компаунды.
На пробой жидких диэлектриков существенное влияние оказывает множество факторов, которые могут, как понижать пробивное напряжение (загрязнения, увлажнение и др.), так и увеличивать его (очистка, давление, барьеры и т.д.).
Основные факторы, изменяющие UПР:
1) загрязнение и увлажнение: увеличение загрязненности масла снижает UПР, ничтожное количество влаги (< 0,03%) резко снижает UПР;
2) вязкость: уменьшение вязкости уменьшает UПР;
3) температура:
с увеличением температуры UПР уменьшается;
на импульсном напряжении это влияние незначительное;
для технически чистого масла зависимость пробивного напряжения от температуры носит сложный характер);
4) давление: для технически чистого масла увеличение давления приводит к увеличению UПР, т.к. увеличивается давление в газовых пузырьках);
5) наличие барьеров: барьеры могут существенно повысить UПР, особенно в резконеоднородном поле;
6) время воздействия напряжения:
с увеличением времени воздействия напряжения UПР уменьшается; чем чище диэлектрик, тем
меньше это влияние;
7) форма, площадь электродов и расстояние между ними:
форма электродов создает поля разной степени неоднородности при S = const, чем больше коэффициент неоднородности, тем ниже UПР;
с увеличением площади электродов UПР уменьшается;
увеличение расстояния увеличивает UПР;
8) полярность электродов при несимметричной их форме:
- при отрицательной полярности пробивные напряжения больше, чем при положительной.
Для хорошо очищенных жидкостей величина электрической прочности достигает 1000 кВ/см.
Электрическая прочность твердой изоляции выше, чем газообразной и жидкой Uпр тв > Uпр ж > Uпр г .
Электрическая прочность твердой изоляции зависит от:
1) формы электрического поля;
2) вида напряжения и полярности;
3) времени воздействия напряжения;
4) однородности диэлектрика;
5) электрофизических характеристик (полярный-неполярный, tg δ, ε и др.);
Температуры.
Электрическая прочность Епр твердой изоляции возрастает с уменьшением ее толщины и особенно быстро в области микронных толщин. Этот эффект используют в изоляции конденсаторов, кабелей, вводов и др.
Различают три вида пробоя твердого диэлектрика:
1) электрический — Е~102–103 кВ/мм;
2) тепловой — Е~10–102 кВ/мм;
3) старение — Е~10 кВ/мм и менее.
Вольт-временная характеристика твердой изоляции
I — электрический пробой, запаздывание развития канала разряда; II — электрический пробой, t < 0,1 c, не зависит от температуры; III — тепловой пробой, t > 0,1 с, резкое снижение Uпр во времени; IV — старение, Uпр мало изменяется, а время до пробоя возрастает значительно
Тепловой пробой изоляции
Q1 — тепло, выделенное в изоляции за счет джоулевых и диэлектрических потерь,
Q2 — отводимое от изоляции тепло в окружающую среду.
U1 < U2 < U3
Для U1 при T1 + ∆T − Q2 > Q1 — нет нагрева.
Для U2 при T2 + ∆T −Q2 < Q1 — тепловой пробой.
Для U3 — всегда тепловой пробой.
Т2 — точка теплового равновесия.
Рабочая температура Траб < T2.
Частичные разряды
Под действием высокой напряженности электрического поля в изоляции в местах с пониженной электрической прочностью возникают частичные разряды (ЧР), которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика.
ЧР возникают тогда, когда напряжение на включении достигает пробивного значения UПР — напряжения зажигания разряда во включении. Напряженность электрического поля во включении ЕВ связана с напряженностью в остальной части диэлектрика, как
где Eд — напряженность электрического поля в диэлектрике; εд — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; εв — относительная диэлектрическая проницаемость включения.
Исходя из последнего выражения, напряженность электрического поля в газовом включении (и в любом другом, где εв < εд) всегда выше, чем в остальном диэлектрике.
При размерах включения десятки микрометров и давлении близком к атмосферному, пробивное напряжение лежит вблизи минимума кривой Пашена, слабо изменяется с изменением размеров включения и составляет 250…300 В.