Лабораторная работа №8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Общие сведения о пробое жидких диэлектриков

Среди электроизоляционных материалов жидкие диэлектрики являются самыми распространенными после твердых диэлектриков. В настоящее время к наиболее широко применяемым жидким диэлектрикам относятся различные нефтяные масла (кабельное, конденсаторное и трансформаторное), а также другие синтетические жидкости (совол, совтол, фторо- и кремнийорганические).

Нефтяные масла получили широкое распространение в качестве дугогасящей среды масляных выключателей, для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей и конденсаторов, а также в качестве изоляции и теплоносителя высоковольтных трансформаторов. Можно сказать, что от качества и свойств электроизоляционных жидкостей во многом зависит надежность этих электроизоляционных конструкций. Учитывая возросший уровень рабочих напряженностей электроизоляционных конструкций и повышение требований к их надежности, высокие требования предъявляются и к электрической прочности жидких диэлектриков. Поэтому изучение основных закономерностей пробоя жидких диэлектриков, влияние на электрическую прочность влажности, температуры окружающей среды, степени загрязнения и др. представляет большой практический интерес.

Механизм пробоя жидких диэлектриков и величина их электрической прочности во многом зависят от вида жидкого диэлектрика, степени его очистки, наличия в нем влаги и газа.

Для идеальных жидких диэлектриков, не содержащих влагу, газ и механические примеси механизм пробоя, как правило, носит электрический характер и связан с развитием процесса ударной ионизации электронами, образованными за счет холодной или термоэлектронной эмиссии.

Электрическая прочность таких очищенных и «обезгаженных» жидких диэлектриков практически не зависит от температуры, а ее незначительное уменьшение с ростом температуры связано с увеличением длины свободного пробега электронов и вероятности ударной ионизации вследствие теплового расширения.

Наличие в жидком диэлектрике различных примесей, влаги и

90

Лабораторная работа №8

газа вызывает ряд вторичных процессов, усложняющих механизм пробоя и характер зависимости их электрической прочности от температуры.

Наиболее сильное влияние на электрическую прочность нефтяных масел оказывает влага, которая попадает в них из окружающей среды. Как правило, эта влага находится в жидких диэлектриках в эмульсионном состоянии, т.е. в виде отдельных мельчайших капелек.

Согласно теории Геманта [1], при отсутствии электрического поля эти капельки влаги имеют шарообразную форму, находятся во взвешенном состоянии и распределены хаотически по всему объему. Под действием приложенного электрического поля капельки воды поляризуются, втягиваются в области с большей напряженностью поля и деформируются, приобретая форму эллипсоида. Удлинение капелек приводит к уменьшению расстояния между ними и увеличению неоднородности электрического поля. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее удлинение капель, возможное их слияние и образование водяного мостика (канала).

По теории Геманта для образования водяного канала, достаточного для развития пробоя, необходимо, чтобы удлинение капелек воды под действием электрического поля составляло 60-70 % от половины расстояния между центрами соседних капелек. При образовании водяного канала между электродами резко возрастает плотность тока, что вызывает выделение большого количества тепла и переход водяного канала в канал водяного пара, в котором и развивается электрический разряд. Косвенным подтверждением данного процесса является то, что электрическая прочность таких масел при повторном использовании на пробой несколько увеличивается за счет испарения влаги.

С увеличением в масле количества поглощенной влаги вероятность образования водяного канала возрастает, что обуславливает снижение его электрической прочности (см. рис.1а).

Изменение электрической прочности трансформаторного масла, содержащего влагу, в зависимости от температуры показано на рис.1б кривая 2. Как видно из рис.1б, зависимость электрической прочности от температуры имеет сложный характер и определяется различным состоянием влаги при разных температурах.

В области невысоких положительных температур около 00С влага находится в эмульсионном состоянии и обуславливает наиболее низкие значения электрической прочности трансформаторного масла.

При понижении температуры (участок I) за счет перехода воды

91

Лабораторная работа №8

в кристаллическое состояние (в лед) ее влияние уменьшается и электрическая прочность масла увеличивается.

При повышении температуры (на участке II) влага постепенно переходит из эмульсионного в молекулярно-растворенное состояние. В результате этого перехода вероятность образования водяных мостиков уменьшается и электрическая прочность возрастает, достигая максимального значения при температуре порядка 800С. Наряду с этим, при возрастании температуры наблюдается и испарение влаги, что также способствует уменьшению вероятности образования водяных мостиков.

При дальнейшем повышении температуры (участок III) преобладающую роль начинает играть фактор испарения влаги, за счет чего резко возрастает диссоциация молекул воды на ионы. В свою очередь, увеличение количества носителей зарядов приводит к резкому возрастанию плотности тока, дополнительному разогреву жидкости и обуславливает более интенсивное испарение влаги с образованием пузырьков водяного пара. За счет этого развитие разряда облегчается и электрическая прочность трансформаторного масла снижается. Действительно, как следует из рис.1б, кривая 2 асимптотически сближается с кривой 1 для высушенного трансформаторного масла, для которого снижение электрической прочности на данном участке связано с развитием теплового пробоя.

Наличие в жидком диэлектрике механических примесей в виде волокон бумаги, хлопчатобумажной ткани и др., способствует поглощению влаги из окружающей среды и, тем самым, приводит к еще большему снижению его электрической прочности.

Кроме того, наличие механических примесей может само обуславливать образование проводящего мостика. Это связано с тем, что частички загрязнений, как и капельки влаги, электризуются в электрическом поле и втягиваются в область наибольшей напряженности поля, образуя проводящий мостик между электродами, по которому будет развиваться пробой. Следы канала разряда по такому мостику могут быть обнаружены визуально, т.к. они сохраняются некоторое время даже после пробоя. Вполне понятно, что увеличение степени загрязнения, как и увеличение количества влаги, вызывает уменьшение электрической прочности загрязненных жидких диэлектриков.

Пробой жидких диэлектриков, очищенных от загрязнений и не содержащих влагу, сильно зависит от наличия в них "растворенного" газа. Если жидкий диэлектрик содержит газовые включения, то за счет перераспределения электрического поля вследствие меньшей величины диэлектрической проницаемости газа, ударная ионизация

92