Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции

3.3.1. Тепловое старение твердой изоляции

Тепловое старение, т. е. постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции при длительном нагреве, происходит вследствие того, что при повышении температуры возникают или уско­ряются химические процессы в изоляционных материалах.

Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется главным образом в снижении их механической прочности. В частности, у наиболее распространенных в высоковольтной изоляции материалов из целлюлозы (бумага, картон) при длительном нагреве особенно сильно снижается прочность на растяжение и излом.

Тепловое разложение (деструкция) бумаги в присутствии влаги и воздуха (кислорода) ускоряется. В случае, когда бумага пропитана минеральным маслом, скорость старения уменьшается, так как ограничивается доступ воздуха к бумаге. Однако в некоторых случаях этот эффект снижается вследствие того, что в самом масле образуются продукты, вызывающие разложение целлюлозы (например, органические кислоты, перекиси и др.).

Тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воз­действий практически не меняет ее кратковременной электрической прочности. Однако в реальных условиях эксплуатации одновре­менно с нагревом изоляция подвергается также и воздействию механических усилий. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приводит к механическому повреждению изоляции и уже как следствие к электрическому пробою.

Большинство твердых изоляционных материалов, применяемых в электрических аппаратах и машинах высокого напряжения, также постепенно теряют механическую прочность при длительном нагреве и выходят из строя в результате пробоя, возникающего после механического повреждения.

Тепловое старение жидких диэлектриков выражается прежде всего в повышении проводимости и диэлектрических потерь. В минеральных маслах при повышении температуры развиваются окислительные процессы, в результате которых образуются органические кислоты, кетоны, альдегиды и твердые продукты (смолы). Эти продукты образуют ионы и коллоидные частицы в масле. В итоге проводимость и диэлектрические потери масла увеличиваются. Одновременно с этим снижается и электрическая прочность.

Увеличение диэлектрических потерь вызывает дополнительный нагрев изоляции и ускорение темпов ее старения. При определенных условиях рост диэлектрических потерь может привести к тепловому пробою.

Срок службы изоляции τ_т, при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной, то

τ_т = А/ к_хим, (2.1)

где к_хим - величина, характеризующая скорость химических реакций, например количество продуктов, вступающих в реакцию в единицу времени; А - коэффициент пропорциональности.

При прочих равных условиях скорость процесса зависитот температуры Т. Для простейших химических реакций эта зависимость определяется законом Аррениуса, согласно которому

к_хим = , (2.2)

где W_a -энергия активации; R -универсальная газовая постоянная.

Строго говоря, применение закона Аррениуса к сложным реакциям в изоляционных материалах неправомерно. Тем не менее опыт показывает, что выражение (2.2) дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными и в случае процессов, возникающих при тепловом старении изоляции.

На основании выражений (2.1) и (2.2),

τ_т = , (2.3)

где А₁ и В — постоянные.

В относительно узком интервале возможных рабочих температур зависимость τ_т=f(Т), вытекающая из выражения (2.3), может быть представлена в виде

τ_т = . (2.4)

Из выражения (2.4) следует, что отношение сроков службы изоляции при разных температурах T₁ и Т₂ будет выражено следующими уравнениями:

, (2.5)

, (2.6)

где ΔT = ln 2/a - повышение температуры, вызывающее сокраще­ние срока службы изоляции при термическом старении в два раза.

Значение ΔT в среднем составляет примерно 10°С. Поэтому при ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в два раза.

Для того чтобы ограничить скорость теплового старения и обеспечить необходимую долговечность изоляции, устанавливают предельные допустимые температуры T_paб.доп, а изоляционные конструкции выполняются таким образом, что в номинальном режиме работы температура в наиболее нагретой точке изоляции не превышает допустимую.

Нормы нагрева устанавливаются для отдельных видов электро­технического оборудования с учетом специфических условий работы.

3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции

Механизм теплового пробоя можно пояснить на простейшем примере, приняв условно, что температура Θ во всех точках изоляции одинакова. При воздействии на изоляцию переменного напряжения Uколичество тепла Q_в, выделяющегося в единицу времени за счет диэлектрических потерь, а также количество тепла Q_отв, отводимого от изоляции в окружающую среду, определяются выражениями:

Q_в = wCU² tg d, (2.7)

Q_отв = Sk(Q - Q_окр), (2.8)

гдеС - емкость изоляции; tg δ - тангенсугла диэлектрических потерь; S - поверхность изоляции, от которой отводится тепло в окружающую среду; k - коэффициент теплоотдачи; Θ_окр - тем­пература окружающей среды, Θ - температура изоляции.

У большинства изоляционных материалов диэлектрические потери и, следовательно, величина tg δ с ростом температуры увеличиваются. Зависимость tg δ от температуры Θ приближенно соответствует выражению

tg δ = , (2.9)

где Θ_о- температура, при которой tg δ = tg δ_о.

В этом случае Q_в и Q_отв зависят от температуры изоляции, как показано на рис. 2.3, на котором кривые Q_в построены для нескольких значений напряжения. При напряжениях U₁ и U₂ достигается равенство Q_в = Q_отв, т.е. возможны устойчивые режимы нагрева изоляции с температурами Θ₁ и Θ₂ соответственно.

Рис. 2.3. К механизму теплового пробоя

Наибольшее значение напряжения, при котором еще может соблюдаться условие Q_в = Q_отв, равно U₃ (кривые Q_в и Q_отв касаются при Θ = Θ₃). Однако уже в этом предельном случае тепловой режим изоляции оказывается неустойчивым. При случайном повышении температуры или напряжения количество выделяющегося тепла будет постоянно превышать количество тепла отводимого и температура изоляции Θ станет неограниченно возрастать. Таким образом, при U ≥U₃ термическое равновесие изоляции нарушается, температура беспредельно увеличивается и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических качеств. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Из графиков на рис. 2.3 следует, что нарушение термического равновесия изоляции наступает, если Q_в ≥ Q_отв и

. (2.10)

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.

Для изоляционных конструкций, работающих в напряженных тепловых режимах, для которых опасность теплового пробоя особенно велика (вводы, силовые кабели и конденсаторы), созданы инженерные методики расчета напряжения теплового пробоя, достаточно полно учитывающие действительные условия нагрева и охлаждения. Однако в этих методикахрассматриваются установившиеся режимы нагрева. В условиях же эксплуатации повышенные напряжения воздействуют на изоляцию ограниченное время, за которое не всегда достигается установившееся состояние нагрева. При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если U > U_пр. Поскольку инженерные методы расчета напряжения теплового пробоя в неустановившихся режимах нагрева отсутствуют, способность изоляционной конструкции выдерживать непродолжительные перегрузки проверяется экспериментально.

3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» T_э. С повышением температуры T_э и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 2.4. С повышением температуры T_э растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В в точках 1 и 2. При напряженности внешнего поля E_пр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность E_пр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

С повышением температуры диэлектрика T_о кривая В сдвигается вправо, и напряженность Е_пр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков. Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т.е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках. При толщине диэлектрика в несколько мирон электрическая прочность E_пр резко возрастает.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большой кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем промежутка. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной.

Рис. 2.4. Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А) и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа T_э при разных напряженностях поля Е

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.

3.3.4. Ионизационный пробой твердой 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 включателях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным. Особенности ионизационных процессов можно проследить по схеме замещения изоляции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема замещения изоляции с газовым включением

на переменном напряжении

Емкость газового включения С₁ соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С₂. Основная масса диэлектрика имеет емкость . Разряд в газовом включении имитирован пробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С₁. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение U_o распределяется обратно пропорционально С₁ и С₂. Синусоидальная кривая напряжения на емкости С₁ показана на рис. 2.6 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно U_пр. В точке А происходит пробой ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения. Но вследствие малого значения емкости С₂ ток в ИП также мал, 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. 2.6 сплошной линией.

Рис. 2.6. Кривая напряжения на емкости С₁ (газовом включении):

1 - при отсутствии пробоя ИП; 2 – при пробое ИП

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд DQ = C₁U_пр. Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С, равным

DU = , (2.11)

где С_o – общая емкость диэлектрика, приближенно равная C + C₂.

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

. (2.12)

Используя эту величину из формулы (2.11), получено уравнение

. (2.13)

Измеряя DU_о, можно определить и значение DQ_о. 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.

Развитие процесса будет протекать следующим образом. Нейтрализация заряда DQ связана с рассеиванием энергии , 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 формы пробоя.

Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей.

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 (ИОП) 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 составляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ИОП 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 которой в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем. Различают следующие ионизационные характеристики изоляции:

- критическое напряжение ионизации. U_кр.и – напряжение, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ИОП изоляции за относительно короткий срок;

- начальное напряжение ионизации. U_н.и – наименьшее напряжение, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.

Испытательное напряжение изоляции не должно превышать критического напряжения ионизации; рабочее напряжение не должно превышать начального напряжения ионизации. Исключение могут составлять только локальные участки вблизи электродов с острыми краями, например на краях конденсаторных обкладок, где напряженность поля очень высока и начальная напряженность U_н.и ниже U_раб.

В бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции повышение напряжения достигается тщательной очисткой масла, пропиткой твердой волокнистой изоляции, применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона, дерева и пр.), применением литых изделий из целлюлозы или пластмасс.

Изложенные выше особенности ионизационного пробоя относились к переменному напряжению или повторным импульсам. При постоянном напряжении ионизационные процессы в газовых включениях протекают иначе. Распределение постоянного напряжения по элементам изоляции происходит в соответствии с проводимостями этих элементов. Схема замещения изоляции с газовыми включениями приведена на рис. 2.7. В этой схеме R₁ и R₂ - сопротивления изоляции газового включения и последовательно включенного участка здоровой изоляции, а R - сопротивление остальной массы изоляции.

Рис. 2.7. Схема замещения изоляции с газовым включением на постоянном напряжении

В момент пробоя ИП напряжение на емкости С₂ (емкости газового включения) уменьшается до нуля, затем гаснет. Восстановление напряжения на С₂ происходит с постоянной времени T = R_эC_э, где R_э= R₁||R₂; C_э= С₁||С₂. Вследствие высоких значений R_э, Т измеряется секундами или даже минутами. Поэтому повторные пробои газовых включений происходят редко. По этой причине на постоянное напряжение изоляционные конструкции допускают значительно большие рабочие напряженности поля, чем на переменное напряжение.