Глава девятая
ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В КОНДЕНСАТОРЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Частичные разряды (ЧР) в силовых конденсаторах являются одним из основных факторов, разрушающих электрическую изоляцию при работе на переменном и импульсном напряжениях.
ЧР представляет собой электрический разряд, частично шунтирующий изоляцию между электродами [9.1—9.3]. Эти разряды могут возникать в ограниченной области диэлектрика с пониженной электрической прочностью или повышенной напряженностью электрического поля как в прилегающих, так и в не прилегающих к обкладке объемах изоляции. Область диэлектрика, в которой возникает ЧР, обычно называется включением; примерами таких включений могут быть газовое включение, прослойка пропитывающей жидкости между листами твердого диэлектрика или между листом и обкладкой.
Под воздействием ЧР происходит постепенное разрушение диэлектрика, причем характер и степень разрушения зависят от интенсивности ЧР, от свойств и вида изоляции. Разрушения связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов; возможен и обратный процесс: укрупнение молекул или присоединение радикалов. Эти явления связаны с выделением водорода или других газов: метана, ацетилена, углекислого газа и др.; возможно образование углеродистых соединений.
В изоляции конденсаторов наиболее интенсивно разрушается жидкий диэлектрик, что проявляется в изменении физикохимических характеристик, сопровождается выделением газа, увеличением tgδ и проводимости. В последующем возникают разрушения твердой фазы, которые при интенсивном протекании завершаются пробоем изоляции.
Наиболее опасными являются газообразные продукты. При скорости газообразования, превосходящей скорость поглощения газов окружающей жидкостью за счет возможного химического связывания и растворения, а также при насыщении жидкости газом, в конденсаторном диэлектрике может образовываться концентрированная газовая фаза в виде газовых включений. Напряженность поля в таком включении, имеющем е,= 1, будет наибольшей по сравнению с другими компонентами диэлектрика, и интенсивность ЧР в нем значительно возрастает, что ускоряет разрушение изоляции в этой точке за счет эрозии твердой фазы. Таким образом, возникновение и развитие ЧР в конденсаторном диэлектрике во многом определяются напряженностью поля в жидком диэлектрике и свойствами пропитывающей жидкости.
В начале развития конденсаторостроения, когда технология термовакуумной обработки диэлектрика и пропитывающей жидкости была далеко не совершенна, в диэлектрике могли образовываться газовые включения — пузырьки — из остаточных растворенных газов, являвшиеся источником возникновения и развития ЧР.
В конденсаторах, пропитанных жидким диэлектриком, при современной технологии изготовления изоляция нс содержит газовых включений. В этом случае ЧР возникают прежде всего в прослойках жидкого диэлектрика, так как электрическая прочность жидкости значительно меньше, чем прочность твердой изоляции (конденсаторной бумаги или полимерной пленки).
Наименьшее значение напряженности поля во включении приводящее к пробою включения, называется напряженностью возникновения или зажигания ЧР. При пробое включения, емкость которого обозначим через СЛ, ионы, образующиеся в процессе разряда, заряжают поверхность включения и создают поле, обратное по направлению основному (внешнему) полю. Как правило, плотность тока разряда, возникающего после пробоя емкости С„, недостаточна для его поддержания, и он гаснет. Наибольшее значение напряженности EП<EВ,„ при которой возникший разряд прекращается или гаснет, называется напряженностью погасания ЧР. Она лежит в пределах от 10 до 90% напряженности зажигания.
Эквивалентная схема конденсаторного диэлектрика с «плоским» включением, расположенным перпендикулярно силовым линиям поля, показана на рис. 9.1. Общая емкость Сх составляется из трех емкостей: емкости включения С„, емкости Сд, включенной последовательно с Св, и емкости Са, образуемой оставшейся частью диэлектрика, в которой предполагается отсутствие включений:
(9.1)
Используем обозначения рис. 9.1 для напряженности поля во включении:
(9.2)
где є,д — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; егв—то же включения; Е=и\d —расчетная напряженность поля в диэлектрике; и—приложенное напряжение.
Рис. 9.1. Схема замещения диэлектрика при ЧР
СТАРЕНИЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Старение конденсаторного диэлектрика под воздействием ЧР, или ионизационное старение, относится к чисто электрическим видам старения. Под воздействием ЧР в первую очередь разрушается пропитывающая жидкость. Этому процессу может сопутствовать ряд других: взаимодействие продуктов разложения с твердой фазой диэлектрика, полимеризация, образование или присоединение радикалов, эрозия твердой фазы вследствие бомбардировки ее электронами и ионами, что определяется природой жидкости и характером продуктов ее разложения. При длительном воздействии сравнительно небольших напряженностей происходит постепенное загрязнение диэлектрика продуктами разложения, приводящее к повышению его проводимости и 6. В токе потерь появляется характерный пик (см. рис. 10.2). При повышении 6 повышается опасность возникновения теплового пробоя. Если в продуктах разложения превалируют газообразные продукты, как, например, в нефтяном масле, в диэлектрике быстро образуется концентрированная газовая фаза, напряженность возникновения ЧР резко снижается и ЧР переходят в критическую форму, в результате чего быстро разрушается диэлектрик. Если конденсатор с пропиткой нефтяным маслом, в котором образовались концентрированные газовые включения, отключить от напряжения, то вследствие диффузии газовая фаза через некоторое время растворится в жидкой и в масле практически полностью восстановится первоначальное значение напряженности возникновения ЧР. Это будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение жидкости газом, после которого дальнейшее растворение газа прекращается. При разложении ЧР хлордифенилов из них выделяется углерод, который шунтирует очаг возникновения ЧР, и они прекращаются. Плохая термовакуумная обработка конденсаторов усиливает процесс разрушения диэлектрика вследствие разложения оставшейся влаги.
Значительное влияние на интенсивность ЧР оказывают твердые включения, как находящиеся в бумаге (фиксированные), так и находящиеся в жидкости (подвижные), которые увеличивают напряженность поля в месте своего нахождения [10.6]. Это имеет важное значение для конденсаторов, напряженности поля в которых большие, например, для бумажно-пленочного диэлектрика. Частицы могут попадать в диэлектрик в виде пылинок при намотке вследствие притяжения их статическими зарядами электризованной пленки. Поэтому к микроклимату помещения, в котором производится намотка секций, предъявляются особо жесткие требования по его запыленности. Обычно в 1 л воздуха этих помещений не должно содержаться более 500 частиц размером от 2 мкм и менее.
Количество материала, разрушаемого при ЧР в единицу времени, или скорость разрушения изоляции, пропорциональная мощности ЧР,
(10.3)
где В-г количество материала, разрушаемого разрядом с энергией в 1 Дж; Л,р — мощность ЧР.
Для конденсаторов, работающих на переменном напряжении, связь между Рчр и напряжением частоты 50 Гц может быть представлена эмпирической зависимостью (9.19) [9.1]:
(10.4)
в которой Ачр и ячр — постоянные.
Подставив Рчр из (10.4) в (10.3) и последнюю в (10.2), в общем виде можно найти зависимость ресурса конденсатора от напряжения при старении под воздействием ЧР:
(10.5)
Таким образом, при старении под воздействием ЧР ресурс обратно пропорционален мощности ЧР.
Воздействие на конденсатор перенапряжений может приводить к возникновению ЧР и усилению процессов старения диэлектрика конденсатора, что проявляется в увеличении tgδ изоляции, который зависит только от стойкости жидкости против разложения в электрическом поле и, в частности, от ее газостойкости. На рис. 10.7 приведены зависимости изменения tgδ от числа перенапряжений для конденсаторов с бумажно-полипропиленовым диэлектриком, пропитанным различными жидкими диэлектриками [10.6]. Исследуемые жидкости по газостойкости можно расположить в следующем порядке (начиная с наиболее газостойких): ФКЭ, БНК, ДОФ, конденсаторное масло, имеющее наименьшую газостойкость.
Рис. 10.7. Зависимость tgδ образцов конденсаторов с комбинированным диэлектриком от числа перенапряжений. Кратность перенапряжений 2,25Uном, длительность перенапряжений 1 с, /=50 Гц, интервал между напряжениями 5 мин, Е = 35 МВ/м, dс = 35 мк.м (два листа полипропиленовой пленки 12,5 мкм и один лист конденсаторной бумаги 10 мкм).
Как следует из рис. 10.7, пропитка жидкостями, наиболее стабильными в электрическом поле, приводит к наименьшему изменению изоляции при воздействии перенапряжений.
