5.4 Распределение напряжения по гирлянде изоляторов

При Uном ≥ 35 кВ подвесные изоляторы соединяются в гирлянды. Переменное и импульсное напряжение распределяются по изоляторам гирлянды неравномерно, и чем больше изоляторов в них, тем неравномерное распределение напряжения.

Рис. 5.11 Гирлянда изоляторов и её схема замещения

С- собственная емкость изолятора (С=50÷70 пФ)

С1 - ёмкость изолятора по отношению к заземленным элементам

конструкции (С1=4÷5пФ)

С2 - ёмкость изолятора по отношению к проводу (С2=0,5÷1пФ).

Общая ёмкость изоляторов гирлянды CГ = Cn ,

где:

n - число изоляторов в гирлянде.

Если бы было Сг>>С1 и С2, то распределение напряжения вдоль гирлянды было бы практически равномерным. Однако, СГ имеет один порядок с С1, а при больших n и с С2, поэтому распределение неравномерное.

Если бы С2=0, а С1≠0, то ∆U1max , было бы на первом от траверсы изоляторе, а далее постепенно снижалось, так как вследствие ответвления

токов в ёмкости С2 наибольшее значение тока через собственные емкости С имело бы место у траверсы.

В реальных условиях С1>С2 поэтому ∆U1max на первом от провода изоляторе и уменьшается с удалением от него, но при приближении к траверсе опять несколько возрастает (рис. 5.12).

			Предельно			допустимое
			падение напряжения на изоляторе
			зависит от его конструкции и
			составляет 30-60 кВ (ограничение
			по короне на арматуре).
				В гирляндах ЛЭП 220 кВ и
			выше	снизить	напряжение			на
			первом изоляторе			удается	путем
			выравнивания			распределения
			напряжения		по	изоляторам
			гирлянды с помощью специальных
			экранов в виде колец, восьмерок
			или овалов, называемых арматурой
			гирлянды. При этом увеличивается
			емкость С2.			эффект	имеет
				Аналогичный
		номер изолятора (от провода)	место при применении на линиях
				сверхвысокого		напряжения
	Рис. 5.12 Распределение напряжения по
			двух	или более		расщепленных
	изоляторам гирлянды:
	без защитной арматуры:		проводов фаз. Емкость С2					при
	а – нормальное распределение;		расщепленных проводах достигает
	б – дефект на третьем изоляторе;		2-3пФ, при этом в значительной
	с арматурой - в
			мере	компенсируются			токи,

ответвляющиеся в С1 и распределение напряжения по изоляторам выравнивается.

При увлажненном загрязнении поверхностей изоляторов, а также под дождём распределение напряжения вдоль гирлянды выравнивается, поскольку в этих случаях оно определяется главным образом сопротивлениями утечки изоляторов.

ЛЕКЦИЯ 9 РАЗДЕЛ 6

Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи

6.1Коронный разряд и его характеристики

6.2Коронный разряд на проводах линий электропередачи

6.3Вольт-кулоновые характеристики коронирующего провода

6.4Ограничение потерь на корону

6.5Потери энергии на местную корону

6.1.Коронный разряд и его характеристики

Коронный разряд или корона – это самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов ВЛ.

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле:

		0,65
Ен = 24,5mδ				(6.1)
	1	+ (δr)0,38

при r<1 см используется формула Ф.Пика:

			Ен			0,3				(6.2)
				= 30,3mδ 1+
						δr
где:
Ен=[кВ/см],			r=[cм], δ =		PT 0
					Tp0
m	-	коэффициент гладкости провода, учитывающий форму поверхности витого
		провода;
m=0,82÷0,94			-	хорошие атмосферные условия;
m=0,6			-	при инее, гололёде, изморози;
m=0,57÷0,73			-	при дожде, снеге.

При коротком разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Распределение объёмного заряда при униполярной короне на

проводе.

Напряженность поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Ен. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объёмного заряда и снижению напряженности до Ен. Вследствие увеличения объёмного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение.

U н = Eн rln	2H	(6.3)
	r

где:

Н - высота единоличного провода над землей.

Вследствие непрерывного удаления объёмного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго.

Движение ионов под действием сил электрического поля образует ток в промежутке между коронирующим проводом и землей. Для передвижения ионов необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергию на ионизацию воздуха много меньше.

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы (рис. 6.2,а).

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле (рис. 6.2, б). Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают, и корона из лавинной переходит в стримерную.

Рис. 6.2 Стримерная (а) и лавинная (б) короны на проводе.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом ( τф порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создаёт помехи радио- и телеприему. При коронировании проводов ВЛ сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект особенно сильный при дожде.

При коронировании двух разноименно заряженных проводов (рис. 6.3) ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. В области пониженной напряженности поля – посредине между проводами происходит частичная рекомбинация ионов. Значительная же их часть проникает в зону короны противоположной полярности, усиливая там поле. В результате этого интенсивность ионизации возрастает, ток короны, а следовательно, и потери энергии увеличиваются (биполярная корона).

Рис. 6.3 Распределение объёмных зарядов при биполярной короне на проводах.

На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение при этом резко снижается. Коэффициент гладкости провода должен учитывать изменение состояния провода при атмосферных осадках.

m=0,6 – при инее, гололёде, изморози; m=0,57÷0,73 – при дожде, снеге.

6.2.Коронный разряд на проводах линий электропередачи

Объемный заряд короны, образовавшийся в один из полупериодов переменного напряжения, за время до изменения полярности провода может переместиться на несколько десятков сантиметров. Вследствие этого объемные заряды обоих знаком совершают возвратно-поступательное движение вблизи провода, медленно удаляясь от него в область слабого поля, и там рекомбинируют. Только несущественная часть объемного заряда может

дойти до проводов соседних фаз. Вследствие этого процесса коронирования каждой из фаз трехфазной линии не влияют друг на друга (нет эффекта биполярности) и каждая фаза может рассматриваться изолированно от других.

Пусть одна из фаз подключается к источнику в нуль напряжения (рис. 6.5) Напряженность на поверхности провода при отсутствии короны

	eпр =	UфC	. При увеличении напряжения на проводе возрастает также
		2πεε0 r

напряженность электрического поля у его поверхности. При U=Uн и Е=Ен у провода начинается коронный разряд. Напряжение продолжает увеличиваться, а напряженность поля у поверхности провода остается постоянной и равной Ен вследствие накопления положительного объёмного заряда. В момент, когда напряжение достигает амплитудного значения Um, коронирование прекращается.

Таким образом, после зажигания короны кривые напряжения и напряженности поля расходятся. U продолжает изменяться по синусоиде, а Е=Ен=const. В связи с этим остается неизменным и заряд на проводе

qпр = 2πεε0 r Eн , а следовательно и создаваемое этим зарядом напряжение

uпр = qCпр . Разница напряжений ∆u =uф −uпр поддерживается объемным

зарядом. Так как объемный заряд распределен в пространстве, суммарный заряд qΣ = qпр + qоб оказывается существенно больше q =uфC , который был

бы на проводе при том же напряжении, если бы корона отсутствовала. Таким образом, возникновение короны сопровождается увеличением ёмкости линии

от обычной величины С (СГ – «геометрической») до эквивалентной Cэ	= qΣ ,
	uф

которая с ростом напряжения возрастает в связи с постепенным удалением qоб от коронирующего провода.

После того, как напряжение источника достигло максимума, общий заряд qΣ должен начать уменьшаться. Так как заряд в объеме является

малоподвижным, в первую очередь будет уменьшаться заряд на проводе. Это немедленно приведет к уменьшению напряженности пола и погасанию короны.

Рис. 6.5 Корона при переменном напряжении

а) изменение во времени Uисточника и Е на поверхности провода

б) ток короны (iк) и его первая гармоника (iк1)

Когда напряженность поля достигнет в следующий полупериод значения –Ен, коронирование возобновляется. Происходит это при напряжении заживания uзаж<uн. Во второй и каждой из последующих полупериодов коронирование более продолжительно, чем в первый после включения полупериод. Во второй полупериод сначала нейтрализуется положительный заряд, образовавшийся в первый полупериод, а затем в пространстве у провода накапливается отрицательный заряд. Далее процесс продолжается с переменой знаков заряда. Первая гармоника тока короны опережает напряжение на угол меньше 90º, значит имеет активную и емкостную составляющие, т.е. при короне имеет место потери энергии и увеличение емкости провода.

Из графика рис. 6.5	uзаж = uн − ∆u , но ∆u =um −uн , поэтому уравнение
характеристики зажигания короны
uзаж = 2uн −uм	(6.4)

6.3.Вольт-кулоновые характеристики коронирующего провода

Существует ряд способов измерения потерь энергии и мощности на корону. В лабораторных условиях удобнее всего снимать зависимость суммарного заряда – на проводе и в объёме – от напряжения, т.е. вольт кулоновые характеристики.

Рис. 6.6 Вольт-кулоновые характеристики коронирующего

провода.

Для этого на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения, а на вертикально отклоняющие – сигнал, пропорциональный заряду.

Если корона отсутствует, то на экране осциллографа появляется прямая линия, тангенс угла которой равен геометрической емкости провода относительно другого электрода

tg βГ				q
	=CГ CГ	=			.
			U

Если U>Uн, то на экране появляется петлеобразная фигура, площадь которой в известном масштабе равна потерям энергии на корону за период

AK = ∫udq				(6.5)
Мощность потерь:
Pк = Aк f				(6.6)
P =	1	T∫uidt =	1	∫udq
	T 0		T

где:

f - частота воздействующего напряжения

Сэкв при короне Сэкв=tgβэкв превышает значение геометрической емкости СГ=tgβr и зависит от приложенного напряжения.

Для исключения потерь энергии на корону, а также и радиопомехи должно быть выполнено условие:

uН ≥ uФ.наиб. раб

(6.7)

Обеспечить это условие (6.7) надлежащим выбором диаметра проводов можно только для условий сухой погоды. При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно. В СССР сухая погода 70-

90% времени (6000-8000 ч).

Примем для упрощения выкладок Ен≈30,3 mδ (см. 6.2), тогда по (6.7) с учетом (6.3) получаем

U н ≈ Eн r ln

2HS

=

30,3mδr ln

S

(6.8)

r 2H

r

S – среднегеометрическое расстояние между проводами.

Условие исключения короны:

S

≥ Uном

30,3mδr ln

2

(6.9)

r

3

Принимая m=0,8; δ=1; ln S/r=6,2 (характерное для ВЛ 110-220 кВ),

получаем:

d ρ 0,011Uном

(6.10)

откуда:

dmin 110 кВ=1,21 см

наименьшие диаметры проводов, при которых

dmin 2200 кВ=2,42 см

исключается корона в

хорошую погоду

6.4 Потери энергии на корону

Потери на корону и радиопомехи в первую очередь зависят от максимальной напряженности поля на поверхности провода, которая при заданном напряжении определяется главным образом радиусом провода. Поэтому основным методом ограничения потерь на корону и радиопомех

является увеличение радиуса провода. При Uном≥330 кВ необходимы провода диаметра во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности.

Экономическое решение можно получить посредством применения так называемых расширенных проводов. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено ещё в 1910 г. академиком В.Ф. Миткевичем и состоит в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряженность поля на поверхности. Решающим является то, что заряд каждого провода q1 составляет только часть общего заряда расщепленной фазы qф:

q =	qф	=	CрфUф	(6.11)
1	n		n

где:	-	число проводов в фазе
n
Срф	-	емкость единицы длины расщепленной фазы
Uф	-	фазное напряжение

Если провода располагаются на равных расстояниях по окружности радиусом rp (радиус расщепления), то в трехфазной системе емкость расщепленной фазы определяется как

			Срф = 2πε0			(6.12)
			n	S
	где:			rэ
		-	среднегеометрическое расстояние между фазами
	S
	rэ	-	эквивалентный радиус одиночного провода, имеющего ту же емкость, что
			и расщепленная фаза

rэ = n

nrnp−1

(6.13)

Рис. 6.7 Характеристика расщепленной фазы.

Средняя рабочая напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы с учётом (6.11) и (6.12) определяется как:

Еср

=

q1

=

Uф

(6.14)

2πε

0 r

nr n

S

rэ

а максимальная как:

Emax = ку Ecp

(6.15)

где:

r

коэффициент, учитывающий усиление напряженности поля

kу =1

+(n −1)

-

вследствие

влияния

зарядов на соседних проводах

rp

расщепленной фазы.

Наибольшее влияние на Еmax оказывает радиус расщепления.

При увеличении rp, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны увеличивается емкость фазы и соответственно её заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления. при котором Emax наименьшая (рис. 4.8).

Рис. 6.8. Зависимость Еmax от расстояния между проводами ВЛ 500 кВ

(n=3, провода АСО 500)

6.4. Потери энергии на местную корону

Увеличением диаметра проводов и снижением напряженности поля на их поверхности нельзя исключить коронного разряда при неблагоприятных атмосферных условиях. Более того, даже при хорошей погоде не может быть исключена корона, например, в местах повреждения поверхности провода и арматуры гирлянд, на элементах крепления, т.е. в точках местного усиления поля.

Местная корона – корона, возникающая в точках местного усиления

поля.

В то время как общая корона существует на всей поверхности проводов при Е>Ен.

Годовые потери энергии на корону могут достигать 40% потерь на нагрев проводов, они оказывают влияние на технико-экономические характеристики линии электропередачи и их необходимо оценивать.

Оценка производится на основе экспериментально полученных данных. Для трассы ЛЭП определяются по метеорологическим данным продолжительность отдельных видов погоды в часах: хорошей погоды hхп, снега hc, дождя hд, изморози hи. Затем по отношению Emax/Eн из кривых рис.6.9 находят мощность потерь для разных погодных условий.

Таблица 6.1

Усредненные характеристики погоды

	Годовая			Годовые
	продолжительность			потери
Группа				энергии при
	ч		%	данной
				погоде, %
				общих потерь
Хорошая погода	7120		81,3	30
Сухой снег	800		9,1	8
Дождь	500		5,7	22
Изморозь	340		3,9	40

Рис. 6.9 Обобщенные характеристики мощности на корону 1 – хорошая погода; 2 – снег; 3 – дождь; 4 – изморозь.

Годовые потери энергии на корону, кВт ч/км, определяются как

AK=N2r2(PХПhХП+PДhД+ PСhС+ PИhИ)

(6.16)

где:

N - общее число проводов в трех фазах линии.

Среднегодовая мощность потерь на корону, кВт/км:

Рсг =	Ак	(6.17)
	8760

Усредненные данные по погодным условиям для средней полосы Европейской части и Западной Сибири приведены в табл. 6.1.

Воценочных расчетах потерь энергии на корону начальная напряженность для расщепленных проводов определяется по (6.1), а максимальная рабочая - по (6.14), (6.15). Для одиночных проводов фаз

начальная напряженность короны по (6.1), а рабочая по (6.14) при n=1 и rэ=r. Напряженности рассчитываются в амплитудных значениях.

Втехнико-экономических расчетах рекомендуется учитывать потери

на корону, если Emax/Eн>0,5.

Экономически приемлемые потери мощности на корону имеют место

при:

Emax / Eн ≤ 0,9

(6.18)

(6.18) – определяющее соотношение при выборе проводов ЛЭП по условию ограничения потерь на корону.

ЛЕКЦИЯ 10,11 РАЗДЕЛ 7

Основные свойства и электрические характеристики внутренней изоляции электроустановок

7.1Особенности внутренней изоляции

7.2Изоляция самовосстанавливающаяся и несамовосстанавливающаяся

7.3Требования к диэлектрическим материалам во внутренней изоляции

7.4Виды внутренней изоляции

7.5Пробой жидких и твердых диэлектриков при кратковременных воздействиях напряжения

7.1.Особенности внутренней изоляции

Внутренняя изоляция – те элементы или участки электроизоляционной конструкции, в пределах которой изоляционные промежутки между проводниками заполнены газообразными, жидкими или твердыми диэлектрическими материалами или их комбинацией, но не атмосферным воздухом.

- Внешняя изоляция - Внутренняя изоляция

1 – Заземленная стенка корпуса

2 – Фланец ввода

3 – Стержень токоведущий

4 – Изоляционное тело

5 – Шина ВН

6 – Проводник к основной функциональной части

Рис. 7.1 Ввод высокого напряжения

1

Причины применения в установках ВН твердых, жидких или специальных газообразных диэлектрических материалов следующие:

1.Значительно более высокая электрическая прочность (в 5-10 раз больше чем у атмосферного воздуха), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния.

2.Функция механического крепления проводников, находящихся под напряжением (только твердые диэлектрики).

3.Через внутреннюю изоляцию всегда осуществляется отвод тепла, выделяющегося при прохождении рабочих токов.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Внутренняя изоляция имеет ряд особенностей, существенно отличающих ее от внешней изоляции:

1.На электрическую прочность внутренней изоляции практически не оказывают влияния кратковременные изменения атмосферных условий (если только эти изменения не выходят за пределы допустимых).

2.Пробой внутренней изоляции, включающей твердые диэлектрики, представляет собой необратимое разрушение.

3.Внутренняя изоляция любого типа (кроме чисто газовой) имеет специфическую зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения (рис. 7.2).

4.Старение внутренней изоляции, то есть изменение ее свойств (снижение электрической прочности) под влиянием внешних электрических, тепловых и механических воздействий.

Рис. 7.2 Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени воздействия

напряжения.

2

Область А - пробой имеет чисто электрический характер, т.е. не связан с химическими, механическими и тепловыми процессами и зависимость пробивного напряжения от времени аналогична вольт-секундным характеристикам газовых промежутков

(t=0÷100 мкс).

Сущность чисто электрического пробоя состоит в том, что при некотором напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение последнего с образованием проводящего канала.

Область В - при временах более нескольких десятков микросекунд до 10-2с значение напряжения Uпр остается практически неизменным, так как время τ много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не успевают проявиться.

Область С - в интервале		от 0,01 с до 1 мин для внутренней изоляции,
содержащей		большие объёмы жидкого диэлектрика, может
наблюдаться некоторое снижение Uпр. Это происходит
вследствие того, что с			увеличением τ	сильнее проявляется
влияние	примесных		твёрдых	частиц,	неизбежно

присутствующих в технически чистых жидких диэлектриках. Такие частицы имеют более высокую, чем у жидкости диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечёт за собой снижение величины Uпр. Чем больше τ , тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже Uпр.

Область Д - область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать от десятков секунд до нескольких часов.

Тепловой пробой – разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до температуры, при которой происходит разрушение изоляции.

Область Е - времена от нескольких минут или часов до 10-15 лет и более. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Главной причиной такого старения являются частичные разряды.

Частичными разрядами (ЧР) называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка.

3

Таким образом, зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени воздействия напряжения имеет сложный вид. Для инженерной практики интерес представляют те ее участки, которые соответствуют реально возможным в эксплуатации электрическим воздействиям. В связи с этим для внутренней изоляции различают:

Кратковременную электрическую прочность:

-при воздействии стандартного грозового импульса (τ =1÷1000мкс);

-при воздействии внутренних перенапряжений (при воздействии коммутационных импульсов нормированной формы или при одноминутном приложении напряжения 50 Гц, τ =1мс÷10с).

Длительную электрическую прочность – то есть электрическую прочность при непрерывном воздействии рабочего напряжения в течение времени, равного сроку службы конструкции.

Электрическая прочность внутренней изоляции при всех временах τ должна быть выше возможных в эксплуатации электрических воздействий.

Рис.7.3 Согласование электрической прочности внутренней изоляции с воздействующими

напряжениями.

Кривая α – изоляция выдерживает грозовые (1) и внутренние (2) перенапряжения и имеет срок службы τ не менее требуемого τтр .

Кривая б – то же, но срок службы меньше τтр . 3 – рабочее напряжение.

4

7.2.Изоляция самовосстанавливающаяся и несамовосстанавливающаяся

Самовосстанавливающаяся изоляция – изоляция, обладающая способностью после пробоя и быстрого отключения от источника напряжения за короткое время полностью восстановить электрическую прочность (воздушные промежутки в составе внешней изоляции установок ВН, а также некоторые виды внутренней изоляции: жидкая, газовая и вакуумная).

Несамовосстанавливающаяся изоляция – изоляция, пробой которой означает необратимое повреждение конструкции (большинство видов внутренней изоляции).

Для внутренней изоляции это означает следующее:

1.Внутренняя изоляции должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, чем внешняя (пробой полностью

исключается в течение всего срока эксплуатации.). В то время как для внешней изоляции допускается ограниченное число перекрытий (на ВЛ≈1 откл/год∙100 км).

2.Фактическая электрическая прочность внутренней изоляции конкретных экземпляров не может быть определена перед вводом в

эквплуатацию, так как после измерения Uпр оборудование заведомо будет непригодно к работе.

Поэтому контроль качества внутренней изоляции проводится не по результатам измерений фактических Uпр, а путем проверки способности изоляции выдерживать испытательные напряжения. Длительная электрическая прочность проверяется косвенным путём (tgδ, ЧР и некоторые другие характеристики).

7.3. Требования к диэлектрическим материалам во внутренней изоляции. Комбинирование диэлектрических материалов во внутренней изоляции.

К диэлектрическим материалам, используемым для внутренней изоляции оборудования ВН, предъявляется ряд жестких требований.

1.Электрическая прочность кратковременная и длительная, то есть необходимы: высокие пробивные напряжения в области чисто электрического пробоя и малые диэлектрические потери (от них зависит напряжение теплового пробоя), иметь достаточную стойкость к воздействию частичных разрядов или обеспечивать отсутствие в изоляции газовых включений.

2.Тепловые свойства диэлектрических материалов (теплопроводность, стойкость к тепловому старению). Они ограничивают допустимые температуры активных частей оборудования и влияют на

5

перепады температуры в изоляции. Следовательно, они предопределяют допустимые рабочие режимы оборудования в целом.

3.Механическая прочность необходимо не только обеспечить механическую целостность изоляции и всей конструкции, но и исключить появление в изоляции трещин, расслоений и других небольших дефектов, снижающих электрическую прочность.

4.Технологичность – материалы должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления изоляции и всего оборудования или аппарата в целом.

5.Экологические требования – материалы для внутренней изоляции не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, после отработки всего срока эксплуатации должны легко утилизироваться.

6.Экономические показатели – диэлектрические материалы должны быть недефицитными и иметь относительно невысокую стоимость.

7.Специфические требования – обусловленные спецификой того или иного вида оборудования (материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость; материалы для камер выключателей – высокую стойкость к термоударам и воздействию электрической дуги).

Весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Во всех случаях в состав внутренней изоляции должны входить твёрдые диэлектрические материалы, так как только они могут обеспечить необходимую механическую прочность изоляционной конструкции. Однако твёрдые диэлектрические материалы обладают низкой теплопроводностью; в конструкциях со сложной конфигурацией электродов, они требуют больших трудозатрат на механическую обработку. Главный недостаток – трудно или даже невозможно обеспечить надёжное сочленение деталей из таких материалов друг с другом или с электродами без воздушных зазоров, в которых под действием рабочего напряжения могут развиваться частичные разряды, вызывающие старение изоляции.

Высокопрочные газы под давлением или жидкие диэлектрики легко заполняют изоляционные промежутки любой конфигурации, чем существенно повышают электрическую прочность, особенно длительную. Жидкие диэлектрики могут быть использованы в качестве теплоносителя в системе интенсивного охлаждения конструкции.

6

7.4. Виды внутренней изоляции

В данном разделе рассматриваются наиболее распространенные виды внутренней изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем, целесообразность комбинирования материалов, в которых подтверждена многолетней практикой.

Основные характеристики, область применения, достоинства и недостатки различных видов внутренней изоляции приведены в таблице 7.1.

7

							Таблица 7.1
		Краткая характеристика внутренней изоляции
№	Вид	Общая	Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика	применения
1.	МБИ	Основу МБИ составляет	В качестве	-	простота конструкции	-	меньшая, чем у БМИ,
	масло-	минеральное	главной изоляции		и технологии		электрическая
	барьерная	(трансформаторное) масло,	в силовых	-	изготовления;	-	прочность;
	изоляция	которое как маловязкая	трансформаторах,		интенсивное		пожаро- и
		жидкость легко заполняет	автотрансформато		охлаждение активных		взрывоопасность
		изоляционные промежутки с	рах и реакторах.		частей	-	конструкции;
		электродами любой		-	трансформаторов;		необходимость
		конфигурации и обеспечивает			возможность		специальной защиты от
		хорошее охлаждение			восстановления		увлажнении в процессе
		конструкции за счет			качества изоляции в		эксплуатации.
		самопроизвольной или			эксплуатации и
		принудительной циркуляции.			замены масла.
		Для обеспечения
		механической прочности
		конструкции, а также для
		повышения электрической
		прочности в составе МБИ
		входят твёрдые
		диэлектрические материалы:
		электрокартон, кабельная
		бумага и другие.

8

№	Вид	Общая	Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика	применения
		Технология
		изготовления МБИ включает
		сборку конструкции, сушку
		ее под вакуумом при
		температуре 100-1200С и
		заполнение (пропитку) под
		вакуумом дегазированным
		маслом.
2.	Твёрдая	В изоляционных	Важнейшая часть,			-	возможность теплового
	изоляция	конструкциях твёрдый	несущая			-	пробоя;
		диэлектрик может	механическую				несамовосстанавлива-
		использоваться отдельно, а	нагрузку.				ющаяся.
		также входить в состав
		комбинированной изоляции.
2.1	Неорганические материалы			Общие
	Электрофар-			-	устойчивы к внешним
	фор			-	воздействиям
					долговечны
				-	невысокая стоимость
	стеатит	изготавливается из талька,		-	механическая
		каолина и углекислого бария			прочность в 2-3 раза
		по технологии, аналогичной		-	превышает фарфор
		производству фарфора			малые
					диэлектрические
				-	потери
					высокая
					теплостойкость

9

№	Вид	Общая	Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика	применения
	Стеклотекс-	стеклоткань, спрессованная в		-	высокая
	толит	несколько слоев и			нагревостойкость, до
		пропитанная изоляционными			1800С
		смолами
	слюдяные	слюда – как диэлектрический	изоляция	-	очень высокая
	изделия	материал	статорных		электрическая
			обмоток машин с	-	прочность
			Uном≤36кВ		стойкость к
					воздействию
				-	частичных разрядов
					высокая
					нагревостойкость
		Микалента – слой пластинок	в машинах малой			-	недостаточная
		слюды скрепленных лаком	и средней				механическая прочность
		между собой и с подложкой	мощности				при нагреве из-за
		из специальной бумаги или					размягчения
		стеклоленты. Используется					термопласстичного
		для изготовления				-	компаунда;
		компаундированной изоляции:					дефицитность и высокая
		- намотка нескольких слоев					стоимость щипаной
		микаленты на проводники					слюды.
		обмотки;
		- пропитка при нагреве под
		вакуумом битумным
		компаундом и опрессовка.
		Слюдинитовые ленты и	в статорных	-	высокая механическая

10

№	Вид	Общая	Область		Достоинства	Недостатки
п/п	изоляции	характеристика	применения
		термореактивные	обмотках всех		прочность и все
		пропиточные составы.	крупных турбо- и		качества слюды
		Слюдинитовая лента состоит	гидрогенераторов,	-	не размягчается при
		из одного слоя слюдинитовой	двигателей и
		бумаги (δ=0,04 мм) и одного	синхронных		нагреве, сохраняет
		или двух слоёв подложки из	компенсаторов с		высокую
		стеклоленты (δ=0,04 мм).	Uном≤36 кВ		электрическую и
		Используется для создания			механическую
					прочность;
		термореактивной изоляции:
				-	значительно
		1 способ (слюдотерм)
					превосходит
		намотка осуществляется
					компаундированную
		лентами заранее			изоляцию по
		пропитанными под вакуумом			электрическим и
		термореактивным составом			механическим
		(на основе эпоксидных и			свойствам;
		полиэфирных смол). Затем		-	слюдинитовая бумага
		изоляция под вакуумом
					значительно дешевая
		разогревается и
					щипаной слюды (в
		опрессовывается до
					компаундированной
		отвердения пропиточного
					изоляции)
		состава
		2 способ (монолит)
		намотка сухой лентой. Затем
		сушка под вакуумом,
		пропитка горячим составом и
		опрессовка до отверждения
		пропиточного состава

11

	№	Вид	Общая	Область	Достоинства	Недостатки
	п/п	изоляции	характеристика	применения
		асбест	Благодаря волокнистой	для	- негорючий,
			структуре из него	нагревостойкой	теплостойкий
			изготавливаются ткани,		минерал
				изоляции, защита
			ленты, плиты и пр.
				от действия
				электрической
				дуги

2.2Органическая изоляция

	Создается на основе	-	высокая
	целлюлозы, синтетических	-	гигроскопичность
	материалов или каучука. Для		низкая
	уменьшения		нагревостойкость
	гигроскопичности бумагу
	пропитывают лаками и
	смолами.
на основе целлюлозы
гетинакс	пропитанные	- монолитный материал
	термореактивной бакелитовой	с высокими
	смолой и спрессованные	механическими
	листы бумаги после	свойствами
	термообработки
текстолит	пропитанная
	термореактивной бакелитовой
	смолой и спрессованная
	хлопчатобумажная ткань
	после термообработки

12

№	Вид	Общая		Область		Достоинства	Недостатки
п/п	изоляции	характеристика		применения
	фибра	бумага, обработанная	-	используется	-	поддается всем видам
		хлористым цинком		для		механической
				изготовления		обработки
				крепежных	-	при термическом
				деталей
			-			разложении фибра
				используется		выделяет большое
				для		количество газов
				дугогашения в
				трубчатых
				разрядниках
	пропитанная	высушенная и пропитанная	-	изготовление
	древесина	древесина твёрдых пород		крепежных
				деталей и
				прокладок
	синтетические материалы
	термопласти	размягчаются и плавятся при	-	изготовление
	чные	нагреве до нескольких сотен		прессованных
	(полиэтилен,	градусов		и тонких
	полистирол,		-	плёнок
	фторопласт			полиэтилен
	и другие)			применяется в
				качестве
				изоляции
				силовых
				кабелей
				U≤35кВ

13

№	Вид		Общая		Область	Достоинства	Недостатки
п/п	изоляции		характеристика		применения
	термореакти	после нагрева теряют		-	литая изоляция
	вные	пластичность, затвердевают и			трансформа-
	(эпоксидные	становятся нерастворимыми			торов,
	компаунды)	(это компаунды на основе			аппаратов и
		эпоксидной смолы).			герметизиро-
					ванных РУ
3.	БМИ	Состоит из кабелей или
	Бумажно-	конденсаторной бумаги и
	масляная	минерального масла
	изоляция	(трансформаторное,
		кабельное, конденсаторное).
		Основу БМИ составляют слои
		бумаги:
		-	рулоны бумаги (ширина до	-	в силовых
			3,5 м)		конденсаторах,
					вводах
		-	ленточная (ширина 20÷400	-	для
			мм)		изолирования
		--положительное перекрытие			электродов
					относительно
					сложной
					конфигурации
					или большой
					длины (вводы,
					кабели) при
					ручной
					намотке

14

№	Вид	Общая		Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика		применения
		--отрицательное перекрытие	-	специальные	-	наличие небольших
				намоточные		зазоров (1-2 мм)
				станки -		между витками в слое
				используется в		придает изоляции
				кабелях		большую гибкость
		После намотки бумаги между	-	в силовых	-	высокая	-	невысокая допустимая
		слоями остаются тонкие		конденсаторах		кратковременная и		рабочая температура
		(менее 0,01 мм) зазоры,		разного		длительная	-	(более 900С)
		обусловленные	-	назначения		электрическая		горючесть
		микронеровностями		во вводах на		прочность при	-	нельзя использовать в
		поверхностей бумаги.		напряжения от		больших толщинах и		конструкциях с
		В самой бумаге имеется	-	110 до 1150 кВ		объёмах		электродами сложной
		большее количество		в силовых		изоляционной		формы, когда возможно
		микропор между волокнами.		трансформатор		конструкции		образование складок и
		В любом случае в МБИ		ах, АТ и		(превосходит все	-	морщин в слоях бумаги
		создается система		реакторах (в		другие виды		изоляция требует
		распределенных по всему		качестве		внутренней изоляции,		надёжной защиты от
		объёму и связанных зазоров и		витковой		используемые в		попадания влаги
		микропор, которые в целом		изоляции)		широких
		занимают около 50% объёма				промышленных
		изоляции. Благодаря этому			-	масштабах)
		при вакуумной сушке				малые
		обеспечивается удаление из				диэлектрические
		изоляции воздуха и				потери при 50Гц (при
		адсорбированной влаги, а при				200С tgδ=0,003÷0,005)
		пропитке - надёжное			-	возможность
		заполнение всех зазоров и
		микропор маслом. Тем самым				механизации

15

№	Вид		Общая	Область		Достоинства	Недостатки
п/п	изоляции		характеристика	применения
		гарантируется отсутствие в				процесса наложения
		БМИ газовых включений, в				слоёв бумаги
		которых могли бы			-	относительно низкая
		развиваться частичные
						стоимость
		разряды при относительно
		низких напряжениях.
4.	Газовая и	Газы, используемые для			-	очень малые
	вакуумная	установок высокого				диэлектрические
	изоляция	напряжения, должны			-	потери
		удовлетворять следующим				практически не
		требованиям:				меняет своих свойств
		-	химическая стойкость в			в процессе
			электрическом разряде и		-	эксплуатации
			не выделять химически			резкое снижение
		-	активных веществ		-	массы конструкции
			инертность (не вступать в			упрощение
			реакции с материалами в		-	конструкции
			сочетании с которыми они			пожаробезопасность
			применяются)
		-	низкая температура
			сжижения (допускающая
			их применение при
			повышенных давлениях)
		-	высокая теплопроводность
		-	негорючесть,
		-	нетоксичность
			невысокая стоимость.

16

№	Вид	Общая				Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика				применения
		В настоящее время в
		качестве изоляции
		применяются воздух, азот и
		шестифтористая сера
		(элегаз)-SF6.
	Элегазовая	Электрическая			-	КРУЭ на	-	хорошая	-	необходима надёжная
	изоляция	прочность SF6 в 2,5 раза выше				напряжение		изолирующая и		герметизация
		воздуха. По причине того, что				110-220кВ		дугогасящая среда		конструкции (утечка не
		это электроотрицательный			-	выключатели	- ток отключения в SF6			более 1% общей массы
		газ, в состав его молекулы								в год)
		входит фтор – галоген. Легко			-	разрабатывают		в 10 раз больше чем в	-	тщательная очистка от
						ся силовые		воздухе
		присоединяет к себе электрон				кабели с	-	скорость		загрязнения всех
		и образует устойчивые								элементов конструкции,
						элегазовой
		отрицательные ионы.						восстановления		соприкасающихся с
						изоляцией		электрической
		При увеличении								элегазом
								прочности после
		давления электрическая							-	возможность сжижения
								погасания дуги почти
		прочность элегаза возрастает						в 10 раз выше, чем в		при низких
		почти пропорционально								температурах
								воздухе
		давлению и может быть выше							при 0,3 МПа: Тсж=-450С
		электрической прочности					то есть мощность		при 0,5 МПа :Тсж=-300С
		жидких и некоторых твёрдых					отключения в элегазе		(чистый элегаз)
		диэлектриков.					может быть почти в 100
		Для	исключения				раз больше, чем в
		сжижения	при	низких			воздухе.

17

	№	Вид		Общая		Область	Достоинства	Недостатки
	п/п	изоляции	характеристика			применения
			температурах		применяют
			смеси элегаза с азотом, у
			которых		электрическая
			прочность лишь на 10			-15%
			ниже	прочности чистого
			элегаза,	а	допустимое
			давление резко возрастает.

Так, у смеси 30% SF6 и

70% азот: Tсж=-450С при 8МПа (т.е. допустимое

рабочее давление примерно в 30 раз выше, чем для чистого

SF6)

Воздух	воздух	при	избыточном -	образцовые	- при частичных разрядах
	давлении	в	несколько	конденсаторы	в воздухе образуется
	атмосфер		-	до 35 кВ	озон, вызывающий
				выключатели	коррозию металлов и
					разрушение твёрдых
					диэлектриков

18

№	Вид	Общая		Область		Достоинства		Недостатки
п/п	изоляции	характеристика		применения
	вакуумная	Промежутки, для которых	В установках и		-	высокая	-	конструктивные
	изоляция	P∙L=0,01÷0,2 кПа∙см, где	приборах где			электрическая		сложности получения
		Р – давление газа	вакуум является			прочность (в ряде	-	высокого вакуума
		L – межэлектродное	рабочей средой			случаев выше чем у		сложная
		расстояние	-	ускорители	-	газовой		технологическая
		считываются вакуумными	-	космические		быстрое		обработка токоведущих
		промежутками.	-	двигатели		восстановление		частей
		В ряде случаев электрическая		электростатиче		электрической
		прочность вакуумной		ские		прочности
		изоляции может быть выше,	-	сепараторы		промежутка после
		чем газовой.		электровакуум		пробоя (10-3-10-4с)
		Различают три вида		ные приборы	-	искровые реле с
		нарушения электрической
			-	конденсаторы		хорошими
		прочности вакуумной
				на 20-50 кВ		временными
		изоляции:	-	выключатели		характеристиками
		1) появление более или менее
						(нестабильность
		-4	-	вакуумные
		стабильных токов с j=10 -		разрядными		времени
		10-3А/см2, резко зависящих		реле		срабатывания меньше
		от приложенного к				10 мс)
		электродам напряжения.
		Это темновые или
		предпробивные токи
		2) возникновение
		периодически
		повторяющихся
		самогасящихся
		маломощных импульсов
		тока силой 10-4 – 10-3А и
		длительностью от долей до							19
		десятков и сотен герц

	№	Вид	Общая	Область	Достоинства	Недостатки
	п/п	изоляции	характеристика	применения

20

7.5.Пробой жидких и твёрдых диэлектриков при кратковременных воздействиях напряжения

7.5.1.Пробой жидких диэлектриков

По происхождению жидкие диэлектрики бывают природные (нефтяное и касторовое масла) и синтетические (хлорированные углеводороды и кремнейорганические жидкости).

Наиболее распространены нефтяные изоляционные масла. Для их получения осуществляют перегонку нефти под вакуумом и производят очистку. В зависимости от качества получают трансформаторное, кабельное или конденсаторное изоляционные масла. Конденсаторное масло – самое чистое, а трансформаторное имеет наибольшее количество примесей.

Электрическая прочность тщательно очищенного масла значительно превосходит прочность газов и приближается к прочности твёрдых диэлектриков. (Пробивная напряженность минеральных изоляционных масел приближается к 106 В/см – для подвергнутых особо тщательной очистке). Электрическая прочность технически чистых масел значительно ниже и зависит, прежде всего, от концентрации и вида примесей, играющих важную роль в процессах пробоя. За счет содержащегося в масле газа и в результате испарения масла при нагреве его разрядом, образуются газовые пузырьки, способствующие развитию разряда. При дальнейшем повышении напряжения возникновение искр учащается и, наконец, наступает устойчивый пробой при достаточно большой мощности источника в виде дуги.

В неоднородных полях вначале возникает стримерная корона. При повышении напряжения стримеры удлиняются и начинают перекрывать промежуток между электродами. Затем возникает устойчивый пробой. В технически чистом масле, как и в газах, разрядные напряжения уменьшаются с увеличением степени неоднородности электрического поля между электродами.

При временах разряда до 1000 мкс, то есть при воздействии импульсов напряжения, пробой масла является чисто электрическим. При больших временах на электрическую прочность и характер развития пробоя существенное влияние оказывают увлажнение и загрязнение масла. Влага может находиться в масле в трёх состояниях:

-в растворенном виде;

-в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны водяные шарики диаметром 2-10 мкм);

-в виде отстоя на дне резервуара.

Влага в виде молекулярного раствора на электрическую прочность масла практически не влияет.

21

Повышение концентрации влаги сверх растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии, т.е. мельчайших капелек воды диаметром 0,01÷0,1 мкм. Появление эмульгированной влаги вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 7.4). Влияние эмульгированной влаги объясняется тем, что капельки воды под действием электрического поля втягиваются в области более высокой напряженности. При этом они ещё и деформируются, вытягиваясь вдоль силовых линий.

Рис. 7.4 Зависимость пробивной напряженности

трансформаторного масла от концентрации влаги (измерения в

снижаетсяразряднике. при расстоянии между электродами 2,5 мм, действующая

напряженность при 50 Гц).

При некотором напряжении, зависящем от концентрации влаги, происходит слияние отдельных капель и образование тончайших водяных каналов. В результате электрическое поле сильно искажается, поскольку диэлектрическая проницаемость воды как полярной жидкости много больше, чем масла. Напряженность в масле между группами деформированных и слипшихся капель возрастает, и электрическая прочность масла снижается.

Согласно РД 34.45-51.300-97 «Объём и нормы испытаний электрооборудования» влагосодержание должно быть не выше:

-у трансформаторов Uном=110-330 кВ – 0,0025%			(25 г/т);
-у трансформаторов Uном=500-750 кВ – 0,0020%			(20 г/т);
- силовые и измерительные трансформаторы
без спец. защит масла, негерметичные
маслонаполненные вводы	- 0,0030%		(30 г/т).
В эксплуатации на СШГЭС допускается влагосодержание не более 10
г/т.
Влагосодержание определяется	либо	химическим		способом

(гидриткальциевый способ), либо хроматографией.

Общее количество воды, которое может находится в масле в молекулярно-растворенном и эмульсионном виде ограничено. При содержании его более 0,02% избыточная влага выпадает в виде отстоя на дно. Хотя сам отстой и не влияет на электрическую прочность, его появление свидетельствует о существенном ухудшении изоляционных свойств масел.

22

Частицы примесей вызывают местные искажения электрического поля, а при определенных условиях, перемещаясь или деформируясь, они образуют цепочки – «мостики», вдоль которых облегчается развитие разряда.

Движение примесных частиц (волокна бумаги, картона, пряжи) наблюдается в неоднородных полях, когда диэлектрическая проницаемость εч частиц отлична от проницаемости εм масла. В этом

случае частицы, поляризуясь в электрическом поле, образуют диполи, ориентированные вдоль силовых линий поля. На заряда каждого диполя q1=q2, действуют противоположно направленные силы E1q1 и E2q2, где E1 и Е2 – напряженности в точках расположения зарядов диполя. Когда Е1≠Е2, т.е. поле неоднородно, равнодействующая этих сил отлична от нуля. Для твёрдых частиц обычно εч>εм и равнодействующая направлена в сторону более высоких напряженностей. Следовательно, при приложении напряжения твёрдые частицы устремляются в области с повыше нной напряженностью.

Вблизи каждой частицы при εч>εм существует местная неоднородность электрического поля. Вследствие этого частицы стремятся объединиться в цепочки, вытянутые вдоль силовых линий поля. При определенных условиях из цепочек образуются «мостики», перекрывающие весь разрядный промежуток или значительную его часть, и по «мостику» происходит пробой.

			При			увеличении
		температуры масла до 60-800С
		прочность		масла		возрастает,
		что	объясняется			переходом
		воды	из	эмульсионного в
		молекулярно			растворенное
		состояние.
	Рис. 7.5. Зависимость пробивного напряжения		Дальнейшее			повышение
		температуры				вызывает
	трансформаторного масла при частоте 50 Гц и				и
	температуре 250С от влагосодержания масла.	испарение		влаги,		прочность
	1 – технически чистое масло (≈50 г/т твёрдых	снижается		из-за появления в
	включений)
		масле	пузырьков			водяного
	2 – масло (меньше 0,5 г/т твёрдых включений).
		пара.
	На СШГЭС для контроля	количества		гигроскопических

загрязнений используется прибор ПКЖ-904А (прибор контроля чистоты жидкости).

Согласно РД 34.45-51.300-97 «Объём и нормы испытаний электрооборудования» допустимо содержание механических примесей не более:

- для регенерированных и очищенных масел, подготовленных к заливке в электрооборудование после его ремонта – 0,0010% (220 кВ÷750 кВ);

23

-для свежих масел – 0,001%;

-для эксплуатационных масел:

область, ограничивающая нормальное состояние до 220 кВ – отсутствие

220 кВ÷750 кВ – 0,0020%.

предельно допустимое до 220 кВ – отсутствие

220 кВ÷750 кВ – 0,0030%.

Принцип работы прибора ПКЖ-904А

Работа прибора основывается на регистрации светочувствительным элементом (светодиодом) изменения светового потока отдельной частицей, перемещающейся с потоком контролируемой жидкости. Световой поток от источника света направляется перпендикулярно потоку жидкости и полностью его охватывает (по сечению потока жидкости), что позволяет контролировать всю жидкость, проходящую через датчик прибора. Изменения электрического сигнала (тока) фотодиода, связанные частицами загрязнений, находящимися в жидкости, пропорциональны размеру частиц, а длительность этих изменений равна времени прохождения частицей чувствительного объёма датчика. Электрические сигналы фотодиода усиливаются, анализируются по амплитуде и распределяются по соответствующим размерным диапазонам, указанным на табло прибора. В каждом канале сигналы подсчитываются счетчиками, и результаты индицируются на цифровом табло прибора. В случае, если емкость содержит более 150000 частиц в 100 см3, загорается сигнализатор ПЕРЕГРУЗКА. Если количество частиц в 100 см3 жидкости превышает 150000 в 2, 4, 8, 16 и 32 раза, загорается один из сигнализаторов УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ 1, 2, 3, 4, 5 соответственно.

24

7.5.2. Разряд по поверхности твёрдого диэлектрика в масле

Твёрдый диэлектрик между электродами в масле располагается так же, как и в газе (см. рис. 3.1). Поэтому свойства поверхностных разрядов в обеих этих средах качественно подобны. Однако различия физикохимических свойств масла и газов обуславливают ряд особенностей разряда в масле.

1.Относительная диэлектрическая проницаемость масла

значительно больше, чем воздуха и приближается к ε Д твёрдого диэлектрика (εм=2,2÷2,4; εВ=1,0; εД=3÷8). Поэтому при одинаковых размерах и форме электродов и диэлектрика распределение электрического поля в масле более равномерное, чем в газе.

2.Масло имеет более высокую удельную объёмную проводимость G, что также способствует более равномерному распределению электрического поля.

3.Масло имеет более высокую электрическую прочность.

Благодаря этим факторам напряжение появления короны Uк и скользящих разрядов Uск, а также разрядное напряжение Up в масле существенно выше, чем в газах, при одинаковых размерах электродов и твёрдого диэлектрика.

Развитие короны и тем более, скользящих разрядов на поверхности диэлектрика при рабочем напряжении недопустимо, особенно для органических материалов, которые могут быстро разрушаться вследствие воздействия на них повышенной температуры и химически активных веществ.

7.5.3.Пробой твёрдых диэлектриков

Движение свободных электронов в твёрдом веществе имеет сложный характер. Поэтому теории электрического пробоя твёрдых диэлектриков, пригодной для инженерной практики, до сих пор нет.

При некоторой напряженности электрического поля свободные электроны накапливают энергию, достаточную для ионизации молекул диэлектрика. У электрода с малым радиусом кривизны сначала возникает очень тонкий канал разряда, который заполняется газообразными продуктами. Это приводит к значительному увеличению числа свободных электронов и дальнейшему развитию канала и его ветвлению. Разветвленные каналы имеют форму дендрита (рис. 7.6). Область, занимаемая каналами разряда, растёт и достигает противоположного электрода. Завершение пробоя может сопровождаться механическим разрушением диэлектрика.

Существенной особенностью твёрдых диэлектриков является то, что их электрическая прочность в отличие от газообразных и жидких

25

диэлектриков после пробоя и отключения напряжения не восстанавливается.

Рис. 7.6. Дендрит, образовавшийся через 1

мин. после включения напряжения 50 кВ частотой 50 Гц. Толщина изоляции 3 мм, промежуток иглаплоскость.

Если к твёрдому диэлектрику прикладываются кратковременные импульсы напряжения (грозовые или коммутационные) сравнительно небольшой амплитуды, то в нем могут возникать микроскопические трещинки. В некоторых аморфных диэлектриках, например, в стекле, канифоли, целлулоиде, трещины самозаплавляются и при повторных импульсах каждый раз возникают в новом месте. Пробивное напряжение таких диэлектриков мало зависит от количества приложенных импульсов.

В большинстве же твёрдых диэлектриков при повторных импульсах разряд развивается по пути предыдущего и микротрещина увеличивается. Поэтому с ростом числа приложенных импульсов пробивное напряжение диэлектрика уменьшается (рис. 7.7). Это явление, отражающее накопление повреждений изоляции, называется кумулятивным эффектом (от cumulo – складывать, накапливать. лат.).

Рис. 7.7. Зависимость 50%-ного импульсного пробивного напряжения новой корпусной

микалентной компаундированной изоляции от числа импульсов n. Импульс 1,2/50мкс, толщина изоляции 3 мм.

26

Снижение пробивного напряжения изоляции в зависимости от числа воздействий характеризуется коэффициентом кумулятивности:

Ккум	= U пр1	(7.1)
	U прn

Под действием приложенного напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, обусловленные наличием у любой реальной изоляции небольшой проводимости и расстоянием энергии при некоторых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнительный разогрев изоляции.

Мощность диэлектрических потерь:

РД =ωСU2 tgδ

(7.2)

Для многих видов внутренней изоляции величина tgδ растёт при повышении температуры Т в соответствии с выражением:

	где:		tgδ =tgδ0 еa(T −T 0 )	(7.3)
		-	коэффициент, зависящий от свойств изоляции (a≈0,02		1/0С);
	a
	T0	-	температура окружающей среды.
		Таким образом, РД=f(T), при заданном U.
		Мощность потока тепла, отводимого от изоляции в окружающую среду:
	где:		Ротв =αS(T −T0 )		(7.4)
		-	коэффициент теплоотдачи;
	α
	S	- площадь поверхности изоляции, от которой отводится тепло.

На рис. 7.8 показаны зависимости Рд=f(T), соответствующие трем значениям воздействующего на изоляцию напряжения U1<U2<U3, и зависимость Ротв.=f(t).

Рис. 7.8. К объяснению механизма теплового пробоя.

27

При напряжениях U1, U2 кривые РД=f(T) и Ротв=f(T) пересекаются при температурах T1 и Т2, т.е. наблюдается установившийся режим нагрева

изоляции, т.е. РД=Ротв.

Однако, при U>U3 мощность диэлектрических потерь будет превышать мощность потока тепла, отводимого от изоляции в окружающую среду при любой температуре.

Значит при U>U3 произойдёт нарушение теплового баланса изоляции, температура последней будет неограниченно расти до потери изоляцией диэлектрических свойств – произойдёт тепловой пробой.

Сущность теплового пробоя – разогрев изоляции за счёт диэлектрических потерь до температуры, при которой происходит разрушение изоляции.

28