Разработка критериев выбора электроизоляционных жидкостей

УДК 621.315.615.2.001.4

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ВЫБОРА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ*
Фаллу, Самат, Перре, Вуарше (Франция)
Происшедшее за последние годы ужесточение требований, как технических, так и законодательных (связанных с пожаробезопасностью, токсичностью и биодеградацией), к электроизоляционным жидкостям привело к появлению большого количества синтетических жидкостей. Хотя при высоких напряжениях и мощностях электрооборудования наиболее широко все еще используются минеральные электроизоляционные масла, применение новых синтетических жидкостей привело к необходимости улучшить наши знания об их поведении в эксплуатации, основанные на анализе и сопоставлении определенных электрических характеристик.
*Fallou В., Samat J., Perret J., Vuarchex P. Development of ctiteria for the selection of liquid dielectrecs (France). Доклад 15—10 на сессии СИГРЭ 1986 г. Сокр. пер. с англ. В. М. Погостина.

Критерии выбора.

 Основные усилия по разработке электроизоляционных жидкостей были сосредоточены в нефтехимической промышленности. Однако электротехническая промышленность постепенно выработала новые требования и критерии выбора, связанные со спецификой отдельных видов электрооборудования.
Здесь рассматриваются четыре вопроса, определяющих поведение жидкостей при высоком напряжении: поведение при воздействии переменного напряжения промышленной частоты, поведение при воздействии напряжений грозовых импульсов, напряжение возникновения частичных разрядов (ЧР), стабильность при воздействии ЧР, характеризующаяся выделением или поглощением газов под воздействием электрического поля или ионизации (газостойкость).
Первый вопрос затрагивает также влияние частиц, которые являются главным фактором, определяющим электрическую прочность при переменном напряжении, хотя и химическая структура жидкости может иметь значение. Второй вопрос связан с зависимостью электрической прочисти при грозовых импульсах от вида жидкости. Эти две характеристики - степень очистки и химический состав - следует учитывать и при определении напряжения возникновения ЧР. Наконец, последний вопрос определяется поглощением и образованием газов в жидкостях под действием ионизации.
Хотя вне зависимости от назначения к жидкостям должны предъявляться какие-то общие требования, некоторые требования могут быть различны в зависимости от того, где жидкость будет применяться: в силовых или измерительных трансформаторах, конденсаторах, кабелях, переключающих устройствах и т. д.

Электрическая прочность при переменном напряжении: влияние частиц.

При переменном напряжении электрическая прочность жидкостей существенно зависит от содержащихся примесей (влаги, растворенного газа, взвешенных частиц). Химический состав обычно не влияет или мало влияет на эту характеристику. Следует отметить, однако, что применение некоторых жидкостей ограничено оборудованием низкого и среднего напряжения из-за их малой электрической прочности.
До последнего времени основное внимание обращалось на влияние влаги и растворенных газов. Влияние частиц, несмотря на признанную важность вопроса, подробно не рассматривалось из-за отсутствия подходящих методов измерения.
Известно, что растворенные газы незначительно меняют электрическую прочность трансформаторных масел, если их концентрация не превышает концентрацию насыщения. Влияние влаги в значительной мере зависит от наличия взвешенных частиц: электрическая прочность хорошо отфильтрованного масла слабо снижается при росте влагосодержания вплоть до насыщения.
Таким образом были определены процессы промышленной подготовки жидкостей, включающие сушку, дегазирование и очистку, дающие возможность получить пробивные напряжения (измеренные по методике МЭК 156) не менее 80 кВ.
Применение указанных методов обработки и обычных критериев оценки изоляционных свойств жидкостей давали вполне удовлетворительные результаты, и нет необходимости их и сейчас подвергать сомнению для оборудования напряжением до 220 кВ. При переходе к более высоким классам напряжения (400 или 800 кВ) изготовителям электрооборудования пришлось принять дополнительные меры, чтобы сохранить те же максимальные градиенты при больших объемах масла. Выявилось, что методы испытания масла оказались недостаточными здесь, и для обеспечения удовлетворительной работы требуется более высокая степень очистки масла.
Таким образом, эксплуатация больших объемов масла в трансформаторах сверхвысокого напряжения выявила существенную роль взвешенных частиц.
Влияние частиц на электрическую прочность больших объемов масла может быть продемонстрировано на модели рис. 1, воспроизводящей изоляцию нижней части ввода трансформатора сверхвысокого напряжения. Эта модель помещалась в испытательный бак объемом 20 м3, заполненный под вакуумом хорошо обработанным маслом без специальных мер по его очистке.
Первая серия испытаний была проведена через 72 ч после заполнения бака, в течение которых масло отстаивалось. Ввиду малой энергии, рассеиваемой при пробое, несколько последовательных пробоев не приводили к повреждению модели. Затем масло было перемешано, и вторая серия испытаний была проведена через 1 ч после этого. Результаты испытаний приведены в табл. 1, где показаны также характеристики масла, измеренные перед каждой серией испытаний. Снижение примерно на 40% электрической прочности модели может быть связано с заметным увеличением количества крупных (свыше 10 мкм) частиц из-за перемешивания масла. Следует отметить, что это снижение не могло быть предсказано по результатам определения электрической прочности проб масла.
Исследование влияния частиц на электрическую прочность масла в зависимости от их количества, размеров и материала стало теперь возможно в связи с развитием соответствующей техники оптических методов или исследований с помощью микроскопа, которые продолжаются совершенствоваться в ТК 10 МЭК.

Таблица 2

Рис. 1. Модель для исследования электрической прочности масла в больших объемах:
1 - электрокартон 3x2 мм

Рис. 2. Зависимость выдерживаемых напряжений от содержания частиц в масле:
2 - Uмакс - 5,5 lgN + 55,27; 2 - частицы целлюлозных волокон; 3 — медные частицы

При определении электрической прочности жидкости стандартными методами объем жидкости, на который действует напряжение, весьма ограничен, и вероятность обнаружения слабого места мала. Перемешивание жидкости несколько улучшает положение, но недостаточно. В данной работе было использовано испытательное устройство, в котором применяются несколько промежутков размером 2,5 мм. При испытаниях масло прогонялось через испытательное устройство с постоянной скоростью, и определялось время до пробоя на данной ступени напряжения. Испытания проводились до 20 пробоев на каждой ступени напряжения, и несколько серий испытаний при различных напряжениях были проведены на каждом образце масла.
После обработки результатов испытаний, которые в каждой серии подчинялись закону распределения Вейбулла, определялось наибольшее значение напряжения Uмакс, ниже которого вероятность пробоя для каждого образца равна нулю.
Для испытаний использовалось сухое дегазированное масло, при этом количество и материал содержащихся частиц варьировались. Полученная в результате зависимость наибольших значений Uмакс от числа частиц N размером свыше 1,5 мкм в 100 см3 масла приведена на рис. 2. Как видно из этих результатов, электрическая прочность масла может быть заметно повышена с помощью очистки (примерно на 30% при снижении количества частиц со 100 000 до 5000 в 100 см3 масла). Особенно следует отметить опасность присутствия металлических частиц, которые при той же концентрации снижают прочность на 30%.