Внутренняя изоляция высоковольтного

Лекция 2.

ВНУТРЕННЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО

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 U_ПР:

1) загрязнение и увлажнение: увеличение загрязненности масла снижает U_ПР, ничтожное количество влаги (< 0,03%) резко снижает U_ПР;

2) вязкость: уменьшение вязкости уменьшает U_ПР;

3) температура:

с увеличением температуры U_ПР 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 U_ПР, т.к. увеличивается давление в газовых пузырьках);

5) наличие барьеров: барьеры могут существенно повысить U_ПР, особенно в резконеоднородном поле;

6) время воздействия напряжения:

с увеличением времени воздействия напряжения U_ПР 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 U_ПР;

с увеличением площади электродов U_ПР уменьшается;

увеличение расстояния увеличивает U_ПР;

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 U_{пр тв} > U_{пр ж} > U_{пр 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 U_пр во времени; IV — старение, U_пр 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 Т_раб < 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 U_ПР — напряжения зажигания разряда во включении. Напряженность электрического поля во включении Е_В связана с напряженностью в остальной части диэлектрика, как

где Eд — напряженность электрического поля в диэлектрике; ε_д — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε_в — относительная диэлектрическая проницаемость включения.

Исходя из последнего выражения, напряженность электрического поля в газовом включении (и в любом другом, где ε_в < ε_д) 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.

Между электродами и диэлектриком образуются воздушные прослойки. При плавном подъеме напряжения на такой конструкции воздушные прослойки ионизируются уже при невысоких напряжениях, так как напряженность поля в них повышается из-за перераспределения напряженностей.

Е_возд /Е_диэл = ε_диэл /ε_возд ,

где Е_возд, Е_диэл - напряженность поля в воздухе и диэлектрике, соответственно;

ε_возд, ε_диэл - диэлектрическая проницаемость воздуха и диэлектрика, соответственно.

Диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3…4 раза больше чем воздуха. Продукты ионизации выходят на края диэлектрика, искажая электрическое поле. Оно становится неоднородным, следовательно, менее прочным.

Бороться с ионизацией воздушных включений в таких конструкциях можно:

- их устранением (соединение диэлектрика с электродом жидкими твердеющими материалами — цементом, смолами и т. п.);

- устранением поля в них (покрытие контактной поверхности диэлектрика проводящими лаками, распыленным в вакууме металлом и т. п. Воздушные прослойки при этом не устраняются, но поле в воздушной прослойке отсутствует).

2-я причина снижения прочности промежутка - влага, абсорбированная поверхностью диэлектрика. Каждый диэлектрик в большей или меньшей степени абсорбирует влагу воздуха. Поэтому на поверхности диэлектрика образуется тонкий слой влаги, обладающий ионной проводимостью. При приложении напряжения ионы перераспределяются по поверхности диэлектрика, устремляясь к противоположно заряженным электродам. Поскольку проводимость тончайшего слоя влаги невелика, то такое перераспределение ионов происходит сравнительно медленно, в результате чего возле электродов напряженность поля повышается, а в середине промежутка - снижается. Как и в первом случае, происходит искажение однородного поля, приводящее к снижению прочности промежутка.

Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, эбонит, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).

В этом случае гигроскопические свойства диэлектрика оказывают меньшее влияние на величину разрядных напряжений, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля. Разрядное напряжение в таких конструкциях также ниже, чем в чисто воздушном промежутке.

Неоднородное поле с преобладанием нормальной (перпендикулярной поверхности раздела двух диэлектрических сред) E_n составляющей поля.

а б

Проходной изолятор (а) и система электродов (б) с преобладанием нормальной составляющей электрического поля.

Напряжение перекрытия проходного изолятора обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. Это связано с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе и большой составляющей напряженности электрического поля, перпендикулярной поверхности твердой изоляции, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении.

Большая емкость между каналом разряда и близким внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности.

Поверхностный разряд по мере увеличения приложенного напряжения проходит несколько стадий:

1-я. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения. Для конструкций с преобладанием тангенциальной составляющей корона возникает при напряжении порядка (0,5÷0,6) напряжения перекрытия промежутка U_nep , а для конструкций с преобладанием нормальной составляющей - (0,1÷0,2) U_nep , у заземленного фланца 2 (место с наиболее высокой напряженностью).

2-я. Увеличение напряжения до величины (0,3÷0,5) U_пер приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала вглубь промежутка.

Лекция 2.

ВНУТРЕННЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО