Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

На основании влияния эмульгированной воды можно, например, объяснить температурную зависимость Εпр трансформаторного масла,

представленную на рис. 2.1, б (кривая 2). Рост Εпр с повышением по-

ложительной температуры объясняется тем, что возрастает количество растворенной влаги и уменьшается количество эмульгированной влаги. Это подтверждается и тем, что при одинаковой концентрации влаги (рис. 2.1, а, кривая 1) значение Εпр возрастает с увеличением темпера-

туры. Рост Εпр на данном участке также связан с испарением влаги.

Действительно, как видно из рис. 2.1, б, кривая 2 асимптотически приближается к кривой 1 зависимости Епр = f (T ) для сухого трансформа-

торного масла.

При дальнейшем росте температуры спад величины Εпр связан с

процессами парообразования и появлением газовых пузырьков, что характерно как для сухого, так и увлажненного трансформаторного масла. О влиянии парообразования на снижение Εпр на данном участке

температур еще указывает тот факт, что при понижении давления, от которого зависит температура кипения жидкостей, Εпр падает более

резко с повышением температуры.

Повышение Εпр в области отрицательных температур связывают

с вымерзанием эмульгированной влаги. В этом случае уменьшается вероятность образования водяного мостика. В области низких отрицательных температур может наблюдаться спад Εпр , что связывается с

замерзанием масла и появлением трещин, по которым происходит пробой.

Подтверждением определяющего влияния эмульгированной влаги на температурную зависимость Εпр трансформаторного масла является

то, что с уменьшением содержания влаги в масле все более сглаживаются максимумы Εпр .

Следует отметить, что процесс образования проводящих мостиков, видимо, требует значительного времени, так как при воздействии импульсного напряжения температурные максимумы не обнаруживаются.

2.2. Влияние механических загрязнений

Пробой жидких диэлектриков, содержащих механические примеси, рассматривается в работах Гиндина, Морозова и Френкеля. Авторами этих работ установлено, что при приложении к электродам напряжения независимо от их формы возникает интенсивное движение

218

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

суспензированных частиц, усиливающееся с ростом напряженности поля. С течением времени оказывается, что все пространство между электродами заполняется агрегатами частиц, которые поляризуются в электрическом поле, как бы слипаются друг с другом, образуя проводящий мостик. Первоначально, при малых напряженностях поля, электрическое сопротивление такого мостика достаточно велико из-за плохого контакта этих частиц друг с другом. При дальнейшем увеличении напряженности поля происходит пробой этих перемычек, если частички не являются металлическими. Это приводит к увеличению плотности тока и пробою жидкого диэлектрика. При снятии напряжения или его падении в момент пробоя происходит распад этого мостика. Как отмечают авторы, в процессе поляризации или электризации частицы приобретают заряд одного знака. Поэтому при снятии электрического поля между этими частицами возникают силы отталкивания, что и вызывает распад мостика. Однако, в некоторых случаях такой проводящий мостик может существовать в отсутствие поля достаточно продолжительное время. В своих наблюдениях авторы этих работ отмечают, что в процессе образования мостика между частицами могут образовываться связи различного типа, которые скрепляют мостик при отсутствии поля (например, чисто электростатическая связь и смешанная связь, обусловленная электростатическими силами и силами междуатомного сцепления, возникающими при образовании мостика).

Очень часто в трансформаторном масле присутствуют органические волоконца (бумага, текстиль и др.), которые попадают в него при изготовлении электрических аппаратов. В сухом масле эти волоконца не оказывают существенного влияния на величину Εпр , но при содер-

жании в масле влаги наличие органических волоконец приводит к значительному снижению Εпр . Это объясняется тем, что органические во-

локонца охотно впитывают влагу из масла, приобретают поляризационные свойства и, выстраиваясь по полю, образуют проводящие мостики, по которым может произойти пробой.

Влиянием образования проводящих мостиков можно объяснить тот факт, что в сильно загрязненных жидкостях пробивное напряжение в однородном поле может быть ниже, чем в неоднородном поле, например в поле электродов острие–плоскость. Около электрода-острия, помещенного в масло, наблюдается бурное перемещение жидкости, напоминающее кипение. Это связано с тем, что имеющиеся в масле частицы движутся к острию, где выше напряженность поля, и, касаясь его, перезаряжаются и вновь уходят от острия. Такое бурное перемещение частиц около острия мешает образованию проводящих мостиков. Поэтому пробивное напряжение масла в неоднородном поле го-

219

Рис. 2.4. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления: 1 – необезгажен-

ное; 2 – после обезгаживания

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

раздо менее чувствительно к загрязнениям, чем пробивное напряжение в случае однородного поля.

Процесс образования проводящих мостиков в масле приходится учитывать при конструировании маслонаполненной изоляции. Чтобы уменьшить влияние проводящих мостиков, используют такие меры, как покрытие электродов слоем твердой изоляции толщиной 1÷2 мм, введение между электродами барьеров из твердого диэлектрика толщиной 5÷20 мм. Это мешает образованию сплошных проводящих мостиков между электродами и значительно повышает пробивное напряжение изоляции.

2.3. Влияние газовых пузырьков

Экспериментальные данные показывают, что пробивное напряжение необезгаженных жидкостей растет с увеличением внешнего давления при изменении его от единиц мм рт. ст. до нескольких десятков атмосфер (рис. 2.4).

Как видно из рис. 2.4, с ростом давления пробивное напряжение трансформаторного масла возрастает, стремясь к насыщению. В случае обезгаженного масла (кривая 2) это возрастание незначительно, тогда как для необезгаженного масла возрастание пробивного напряжения носит более резкий характер.

Сам по себе факт возрастания пробивного напряжения с ростом давления для необезгаженной жидкости объясняется, по-видимому, сжатием газовых

пузырьков, однако это еще не объясняет самого механизма пробоя.

В 20–30-х годах высказывались различные гипотезы о влиянии газовых пузырьков на пробой жидкости, но они в большинстве своем охватывают узкий круг физических процессов, и поэтому возможности их использования весьма ограниченны.

Первая попытка развить теоретические представления о механизме пробоя газосодержащего жидкого диэлектрика была предпринята в работах Геманта. Согласно его представлениям, развитие пробоя обусловлено деформацией газовых пузырьков, всегда находящихся в шероховатостях и микротрещинах электродов, при которой нарушается условие равновесия между поверхностным натяжением и электриче-

220

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

скими силами в пузырьке. Деформация газового пузырька, находящегося у поверхности электрода, под действием поля может происходить как при постоянном объеме, так и при увеличении его объема за счет всасывания газа из электрода. В первом случае площадь соприкосновения пузырька с электродом будет уменьшаться, а во втором случае может возрастать или оставаться постоянной. При нарушении этого равновесия происходит отрыв газового пузырька от электрода с последующим образованием газового мостика, что приведет к пробою жидкости.

Энергия деформированного пузырька равна:

W =αW1 + βW2 ,

(2.7)

где W1, W2 – энергия деформации пузырька при постоянном объеме и постоянной площади соприкосновения; α, β – коэффициенты,

лежащие в пределах между 0 и 1 и характеризующие реальный тип деформации. При деформации пузырька электрическое поле удлиняет пузырек (увеличивает μ), а поверхностное натяжение стремится восстановить первоначальную сферическую форму (уменьшает μ). Очевидно, что критерием пробоя будет являться условие, когда

lim	∂W	=α lim	∂W1	+ β lim	∂W2	= 0	(2.8)
μ→1	∂μ	μ→1	∂μ	μ→1	∂μ
или, обозначая β α = n ,
lim	∂W1	+ n lim	∂W2	= 0.			(2.9)
μ→1	∂μ	μ→1	∂μ

Коэффициент n можно при грубой оценке связать с вязкостью жидкости, т.е. n = kη. Чем больше вязкость жидкости η, тем меньше

выражена деформация, связанная с увеличением объема, т.е. с увеличением вязкости величина n уменьшается.

Учитывая, что полная энергия пузырька складывается из электрической энергии, поверхностной энергии и работы против сил давления, которые зависят от значения μ, то, решая относительно Е при малых значениях n, можно записать

E		= 10π		σ	+ 2	k		(2.10)
	пр						p .
		3			3	η
			a

Здесь σ, p – коэффициент поверхностного натяжения и давление

над жидкостью; а – радиус полусферы пузырька.

Формула дает возможность оценить значение Епр, если известна

величина k. К сожалению, эта величина является слишком неопределенным коэффициентом и ее трудно оценить. Кроме того, в теории Геманта не учитывается движение пузырьков газа и не принимаются во

221