Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Большинство исследований проведено с использованием трансформаторного масла. Это объясняется тем, что трансформаторное масло является наиболее доступной жидкостью, а с другой стороны, ряд исследований преследуют практические цели и выполняются для получения данных по конструированию изоляции, где используется трансформаторное масло. Влага, органические волоконца, механические примеси, пузырьки газа являются наиболее часто встречающимися примесями в технически чистых жидкостях. Чем меньше примесей в изолирующей жидкости, тем выше ее электрическая прочность Εпр .

Поэтому с улучшением очистки жидкости ее электрическая прочность Εпр возрастает, что показывает табл. 2.1.

	Таблица 2.1
Степень очистки трансформаторного масла	Εпр , кВ/см
Неочищенное	50
Очищенное центрифугой	130
Очищенное бумажным фильтром	160
Очищенное уплотненным фильтром (однократное фильтрование)	230
Очищенное уплотненным фильтром (двухкратное фильтрование)	330

Рассмотрим по отдельности влияние различных загрязнений на изолирующие жидкости.

2.1. Влияние влаги

Влага является наиболее часто встречающейся примесью в изолирующих жидкостях, в частности в трансформаторном масле, и сильно снижает его электрическую прочность (рис. 2.1, а) даже при малом содержании. Влияние влаги было объяснено академиком П.П. Лазаревым следующим образом. Влага может находиться в трансформаторном масле в двух состояниях: молекулярном (растворенном) и эмульгированном. В последнем случае капельки воды захватывают поверхност- но-активные вещества (в случае трансформаторного масла – свободные нафтеновые кислоты, мыла, полярные смолы), создающие электрический потенциал на границе вода – изолирующая жидкость и стабилизирующие эту систему.

214

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Растворенная влага не вызывает уменьшения Εпр , если не созда-

ется слишком высокая концентрация, когда из-за повышенной электропроводности может произойти тепловой пробой. Эмульгированная влага, наоборот, вызывает сильное уменьшение Εпр .

Рис. 2.1. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от процентного содержания влаги (а) и температуры (б)

На рис. 2.1 представлены зависимости электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги и температуры.

Механизм пробоя жидких диэлектриков с участием эмульгированной влаги был предложен Гемантом. Согласно теории Геманта, влага, попадающая в жидкий диэлектрик, находится в виде взвешенных капелек с радиусом r. Под действием электрического поля капельки

Рис. 2.2. Пробой жидкого диэлектрика (кремнийорганическая жидкость), вызванный растяжением капли влаги при напряженности выше критической. Увеличение в 6 раз

влаги поляризуются и приобретают форму эллипсоида вращения с большой полуосью, направленной по полю, т.е. происходит их удлинение. Красуцкий [6] выполнил прямое наблюдение за развитием удлинения капель под действием электрического поля (рис.2.2), что наглядно подтверждает данное предположение.

215

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

По Геманту, критерием пробоя будет являться условие, когда R = 2c , т.е. когда происходит слияние капель с образованием канала в виде мостика из капелек влаги. Удлинение капелек влаги связано с преодолением сил поверхностного натяжения под действием электрического поля [1].

Степень поляризуемости (удлинения) капелек воды определяется отношением большой полуоси эллипсоида к начальному радиусу ка-

пельки (рис. 2.3):

α =

с

.

(2.1)

r

Расстояние между соседними ка-

пельками влаги зависит от объемной кон-

центрации поглощенной воды m .

Если

принять,

что число капелек воды в 1 см3

смеси равно n =

3m

, тогда расстояние

Рис. 2.3. Удлинение капелек

4πr 3

между центрами соседних капелек

влаги в электрическом поле

R =

1 = r 3

4π .

(2.2)

3 n

3m

Очевидно, что указанный критерий пробоя соответствует равенст-

ву

R

=

2c

=α .

(2.3)

2r

2r

Полная энергия поляризованного эллипсоида складывается из

энергии поверхностного натяжения W1 и энергии поляризации W2

2

3

1−e

2

−

arcsine

1

PE ,

(2.4)

W =W1 +W2 = 2πr σ

e3

1−e2

−

2

где σ – коэффициент поверхностного натяжения на границе вода– масло;

е– эксцентриситет эллипсоида.

Р– электрический момент эллипсоида;

Е– напряженность электрического поля внутри эллипсоида. Как видно, полная энергия является функцией двух независимых

переменных Е и е. Зависимость удлинения капелек от напряженности поля может быть получена из условия минимума энергии, т.е. при условии, когда производная от энергии равна нулю:

∂W( e,E ) = 0. (2.5)

∂e

216

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Для решения данного уравнения Гемант вводит две промежуточ-

	ные величины	k =	rE 2	и α =	c	=		1	. Первая из них зависит от
			σ		r		3	1−e2

напряженности поля, а вторая является отношением большой полуоси эллипсоида вращения к начальному значению радиуса капли воды. Зная α и определив параметр k , можно рассчитать пробивную напряженность поля:

Eпр =	kσ		(2.6)
	r		α = 8 , k = 8.75 , r = 2 10−3 см,
Полагая,		согласно Геманту,
σ ≈ 5дн/ см,	а	концентрация воды	m =1 10−3 , получим Епр =44.7

кВ/см, что согласуется с опытом. При очень малых концентрациях m

величина α = 2Rr = 22cr резко уменьшается с увеличением концентрации,

а при больших значениях m эта величина уменьшается весьма медленно, что хорошо согласуется с характером изменения электрической прочности трансформаторного масла, показанным на рис. 2.1. Чтобы приблизить результаты расчета к экспериментальным данным Гемант вводит допущение, что для слияния капель воды и образования канала достаточно удлинения капелек на 60÷70 % или уменьшение значения α на 30÷35 %. Расчеты, проведенные Гемантом при этом допущении, хорошо согласуются с опытными данными, полученными Фризе. На первый взгляд такое допущение кажется недопустимым. Однако, как было указано выше, при расчете учитывается напряженность поля внутри эллипсоида, которая отличается от напряженности среднего поля. В момент пробоя, когда эллипсоиды сливаются в канал, при оценочных расчетах этим различием можно пренебречь. Наиболее существенно, что теория Геманта дает возможность качественно объяснить характер зависимости электрической прочности увлажненной жидкости от концентрации воды. Кроме того, теория Геманта в принципе дает возможность связать величину электрической прочности с размером радиуса капель воды, т.е. ее дисперсностью, а также величиной коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела вода – жидкий диэлектрик, хотя непосредственных экспериментальных данных об этом нет.

В качестве недостатка теории Геманта можно отметить то, что она не рассматривает ионные процессы, которые могут играть существенную роль в развитии пробоя загрязненной жидкости, не уточняет при какой концентрации влаги будет наблюдаться данный механизм и не учитывает время его развития.

217