Длительная электрическая прочность внутренней изоляции

В эксплуатации характеристики изоляционных конструкций не остаются неизменными. В изоляционных материалах неизбежно протекают физико-химические процессы, изменяющие их структуру или состав. Вследствие этого качество изоляции с течением времени ухудшается: электрическая и механическая прочности сни­жаются, диэлектрические потери ипроводимость растут.

Ухудшение во времени характеристик изоляции в условиях нормальной эксплуатации называют естественным старением. Кроме того, ухудшение изоляции может пр6исходить вследствие ошибок
персонала, а также из-за непредвиденных аварийных или стихийных
обстоятельств.
Старение ограничивает срок службы внутренней изоляции, так как с течением времени ее электрическая прочность снижается настолько, что изоляция не может противостоять возникающим в эксплуатации электрическим воздействиям и создается опасность её пробоя.

Процессы, обусловливающие старение изоляции, можно разделить на две группы:

1. Процессы изменения состава или структуры самих изоляционных материалов. Примером могут служить разрушение их частичными разрядами, постепенное разложение и окисление при нагреве, расслоение или растрескивание под действием механических нагрузок.

Процессы в самой изоляции протекают за счет энергии, подводимой извне при внешних электрических, механических, тепловых и других воздействиях. Поскольку при различных воздействиях энергия к изоляции подводится в разных формах, в ней протекают разные физические процессы. Соответственно различают электрическое, тепловое и другие виды старения.

Изоляция оборудования высокого напряжения подвергается воздействию сильных электрических полей не только при раз­личных видах перенапряжений, но и при рабочем напряжении. Поэтому в отличие от изоляции низковольтных установок для высоковольтной изоляции наряду с тепловым и механическим ста­рением важнейшее значение имеет старение электрическое, т. е. старение, вызванное процессами, возникающими в сильных элект­рических полях.

2. Процессы проникновения в изоляцию из окружающей среды различных примесей, ухудшающих ее электрические характери­стики. Примером такого рода процессов является увлажнение изоляции.

В реальных условиях эксплуатации различные процессы ста­рения могут протекать автономно, однако чаще они влияют друг на друга так, что темпы старения возрастают, а сроки службы изоляции сокращаются.

Проникающие в изоляцию из окружающей среды влага, кисло­род и другие вещества могут значительно ускорять процессы ста­рения в самой изоляции.

В определенных условиях сильные электрические поля могут
вызывать старение изоляции. Главный, но не единственный результат такого старения состоит в том, что кратковременная электрическая прочность изоляции со временем уменьшается. В момент, когда пробивное напряжение U_ПРизоляции снижается до значения воздействующего напряжения, процесс старения завершается про­боем.

Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды. Они представляют собой пробои отдельных слоев или участков изоляции, толщина которых намного меньше полной толщины изоляции.

Частичные разряды возникают при некотором напряжении U_Ч.Р. (или при напряженности Е_Ч.Р) в местах усиления электрического поля или там, где имеются местные ослабления изоляции, например в газовых (воздушных)
включениях. Отдельный частичный разряд сопровождается, как правило, рассеянием небольшой энергии и ничтожно малым разрушающим эффектом. Однако многократное повторение разрядов в течение длительного времени постепенно приводит к разрушению изоляции до полного пробоя.

Частичные разряды — не единственная причина электрического старения высоковольтной изоляции. При длительном воздействии напряжения в изоляции могут протекать также электрохимические процессы старения.

Суть этих процессов состоит в том, что под действием электри­ческого поля ионы или другие заряженные частицы, неизбежно присутствующие в технических диэлектриках, извлекаются из объема изоляции и скапливаются у электродов, где они могут участвовать в химических реакциях с образованием продуктов, ухудшающих качество изоляции. Например, реакции с выделением газов ведут к появлению газовых включений и возникновению частичных разрядов.

При переменном напряжении электрохимические процессы практически отсутствуют, так как из-за непрерывной и быстрой смены направления электрического поля большая часть ионов лишь виб­рирует, не достигая электродов. Однако при постоянном напряже­нии и при наличии диэлектриков со значительной проводимостью электрохимические процессы могут оказывать существенное влия­ние на сроки службы изоляции.

Частичные разряды (ЧР) в высоковольтной изоляции возникают в газовых включениях или в прослойках жидкого диэлектрика.

В бумажно-масляной изоляции обычного исполнения могут иметь место ЧР двух видов, существенно отличающихся по природе явлений, интенсивности и разрушающему воздействию на изоляцию.

Частичные разряды первого, вида, которые называют началь­ными, представляют собой лавины электронов, развивающиеся непосредственно в масляных прослойках от микровыступов на по­верхностях электродов, около которых электрическое поле усилено.

Энергия W_Ч.Р начальных ЧР невелика ( qпримерно равно 10^-15—10^-13 Кл) и недостаточна для разрушения бумаги. Началь­ные ЧР вызывают лишь разложение масла с выделением газов и ряда других продуктов. Однако количество газов, выделяющихся при одном начальном ЧР, очень мало (примерно 10^-15—10^-13 см³). Такие порции газа быстро растворяются в масле, и устойчивые газовые включения в изоляции не образуются. Вследствие этого каждый последующий разряд вновь развивается в масле.

Продукты разложения масла начальными ЧР остаются в изоля­ции и со временем ухудшают её качество. Из-за малой интенсив­ности процесса разрушающий эффект от начальных ЧР становится заметным только после длительного воздействия (от нескольких часов до нескольких лет).

Рост интенсивности начальных ЧР при повышении напряженности в изоляции сопровождается увеличением скорости выделения газов за счет разложения масла. При превышении некоторой напряженности скорость выде­ления газов становится больше скорости их растворения в масле, поэтому в изоляции образуются крупные газовые включения, в которых сразу же возникают мощные ЧР, получившие название критических. С появлением критических ЧР газовыделение резко увеличивается, число газовых включений лавинообразно растет, масло вытесняется из бумаги и прослоек.
При переходе от начальных ЧР к критическим интенсивность процесса скачком возрастает в 10³—10⁴ раз. Энергия, рассеиваемая при разрядах, становится достаточной для разрушения бумаги. Поэтому за относительно малое время (от секунд до часов) в зависимости от толщины изоляции и мощности ЧР критические ЧР развиваются в полный пробой изоляции.

При постоянном напряжении критические ЧР в бумажно-масляной изоляции нормального качества не возникают вплоть до пробоя, так как малая интенсивность начальных разрядов не обеспечивает требуемой скорости газовыделения. Однако в сильно увлажненной изоляции, особенно при повышенной температуре, когда проводимость изоляции резко возрастает, интенсивность начальных ЧР может оказаться достаточной для возникновения газовых включений и появления критических разрядов.

В маслобарьерной изоляции, как и в бумажно-масляной, могут иметь место начальные и критические ЧР. Однако в этом случае независимо от физической природы разрядов и скорости газовыделения к начальным относят ЧР сравнительно малой интенсивности, не разрушающие твердый диэлектрик (бумагу, картон), а к критиче­ским — ЧР, сопровождающиеся выделением значительной энергии, достаточной для необратимого разрушения твердого диэлектрика.

Энергия начальных ЧР сравнительно мала, поэтому их воздействие на изоляцию ограничивается разложением масла. Однако этот процесс не имеет существенного значения, так как в трансформаторах объемы масла велики и концентрации продуктов разложения растут очень медленно. Кроме того, в случае необходимости масло может быть полностью заменено новым.

Критические ЧР представляют собой пробои масляных каналов или скользящие разряды вдоль барьеров. Их кажущийся заряд q лежит в пределах

10^-8—10^-5 Кл, а энергия достигает 0,1—1,0 Дж. Такие разряды сразу же оставляют видимые следы разрушения твердой изоляции барьеров.

Появление на барьере проводящих следов из обугленной целлюлозы вызывает искажение электрического поля и значительное повышение напряженности у концов этих следов. Поэтому если подобные следы от пробоев масляного канала образуются при воз­действии перенапряжений, то затем ЧР достаточно высокой интен­сивности могут развиваться у концов, проводящих следов уже и при рабочем напряжении.

В результате длина проводящих следов с нарастающей скоростью
увеличивается и происходит перекрытие изоляции по барьеру. Такой процесс постепенного образования проводящего канала и прорастания разряда вдоль барьера получил название «ползущего» разряда.

Время развития «ползущего» разряда до полного пробоя изоляции зависит от ряда случайных факторов, в частности от слу­чайной последовательности перенапряжений, способных вызвать пробой первого масляного канала. Оно может колебаться в пре­делах от нескольких часов до нескольких месяцев.

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..

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.

Значение Т в среднем составляет примерно 10°С. При ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в 2 раза.

Рассмотренные выше процессы не исчерпывают все возможные воздействия на изоляцию при нагреве. В ряде случаев, например, могут возникать значительные механические усилия, остаточные деформации и даже разрушения, обусловленные тепловым расширением металлических частей электрических аппаратов.

При увлажнении внутренней изоляции влага проникает в изоляцию из окружающего воздуха и может образовываться в самой изоляции при термоокислительных процессах. Скорость ее поступления зависит от влажности и температуры окружающего воздуха, гигроскопичности диэлектриков и от температуры самой изоляции, а также от ее конструкции (от наличия и качества уплотнений, от поверхности, соприкасающейся с воздухом, и т. д.).

Влияние влаги на характеристики изоляции обусловлено тем, что влага может образовывать с другими загрязнениями слабые электролиты. В последних происходят диссоциация и образование ионов, что влечет за собой рост проводимости и диэлектрических потерь. В результате может увеличиться нагрев изоляции и воз­расти скорость теплового старения. Кроме того в присутствии влаги химические процессы идут активнее, могут выделяться газы, образовываться газовые включения и в них возникать ЧР. При постоянном напряжении повышение проводимо­сти изоляции вызывает резкое увеличение интенсивности ЧР. Таким образом, увлажнение твердой изоляции опасно прежде всего тем, что оно ускоряет электрическое и тепловое ста­рение и сокращает сроки службы изоляции.

Увлажнение жидких диэлектриков сопровождается не только повышением проводимости и диэлектрических потерь, но также и значительным снижением кратковременной электрической проч­ности.

Дата добавления: 2015-07-11