Достаточно длительное воздействие напряжения вызывает выделение тепла внутри диэлектрика, что приводит к снижению пробивного напряжения. Такое явление называется тепловым пробоем.
Через диэлектрик под действием переменного напряжения протекает емкостный ток (ток смещения) /с и активный ток /а, обусловленный диэлектрическими потерями. Отношение /а//с= tg6 — коэффициент диэлектрических потерь изоляции. В газовых изоляциях при докоронных напряжениях tg б практически равен нулю. Для твердых и жидких диэлектриков tg б находится в пределах 0,01 — 0,03 (при 7,= 20°С). С ростом температуры tg б увеличивается, а пробивное напряжение снижается.
В отличие от электрического пробоя тепловой пробой является проявлением температурной неустойчивости на молекулярном уровне.
Величина tg6 является основным показателем электрической прочности диэлектрика в отношении теплового пробоя. При увлажнении диэлектрика tg6 резко повышается. Поэтому увлажнение является наиболее вероятной причиной теплового пробоя. По мере повышения температуры снижается пробивное напряжение, однако такая зависимость существует и при электрическом пробое.
Основной особенностью теплового пробоя является медленное развитие, так как этот процесс развивается по мере разогрева диэлектрика под действием приложенного напряжения. С увеличением напряжения выше пробивного время пробоя снижается, но даже в худших условиях происходит в течение нескольких минут. При напряжении, близком к пробивному, развитие пробоя происходит в течение часов. Как правило, тепловой пробой возникает в области, в которой плохо отводится тепло. Электрический же пробой возникает в области максимальной напряженности поля на краях электродов.
Следует отметить, что тепловой пробой, так же как и электрический, имеет электрическую природу. Происходит тепловой пробой, когда температура диэлектрика достигает значения, при котором в нем образуется электропроводящий канал.
Тепловой пробой в канале высокой проводимости.
При наличии в изоляции дефектов возможно образование в диэлектрике каналов с повышенной проводимостью. Выделяющееся в этом канале тепло создает тепловой поток. С увеличением разности температур в канале и остальном диэлектрике будет расти проводимость канала и соответственно выделяющаяся при этом мощность. Если приложенное к диэлектрику напряжение выше пробивного, то температура внутри канала будет быстро расти и в течение очень малого отрезка времени произойдет пробой.
Пробой жидких диэлектриков имеет много общего с пробоем в газах. Из катода под действием приложенного напряжения выделяются электроны и количество их растет за счет ударной ионизации нейтральных молекул. Искажение электрического поля вызывает появление вторичных электронов и развитие самостоятельных разрядов в виде стримеров.
Под действием приложенного напряжения растворенный в жидком диэлектрике газ (при давлении около 10,1 МПа трансформаторное масло содержит около 10% воздуха) собирается в маленькие пузырьки. Таким образом, жидкие диэлектрики состоят из двух фаз — жидкой и газообразной. Путь разряда включает как жидкую, так и газообразную фазы, что способствует его более быстрому развитию.
В изоляционных жидкостях коронный разряд имеет форму неустойчивого стримера.
В трансформаторном масле коронный разряд не влияет на качество самого масла, но в случае повреждения твердой органической изоляции может произойти резкое снижение электрической прочности всей изоляционной конструкции.
При пересечении стримером всего изоляционного промежутка происходит искровой разряд. Температура в проводящем канале резко повышается, образуется плазма. Жидкость вокруг канала оказывает на него деионизирующее действие. Поэтому если пробой произошел под действием короткого импульса, то возможность перехода импульсного разряда в устойчивую дугу мала и в изоляционном промежутке почти восстанавливается первоначальная электрическая прочность. Пузырьки газа и частицы угля постепенно рассеиваются во всем объеме масла и не вызывают значительного снижения электрической прочности последнего. Но при загрязнениях и особенно при увлажнении электрическая прочность масла резко падает. Под действием электрического поля загрязнения и капельки влаги образуют цепочки вдоль силовых линий поля. Вдоль этих цепочек разрядное напряжение резко снижается.
В трансформаторных маслах вода может содержаться в трех состояниях: молярно-растворенном; в форме эмульсии (капли диаметром около 10 мкм) и в виде отстоя на дне емкости с маслом. Пока вода находится в растворенном состоянии она практически не оказывает влияния на пробивное напряжение. Но при изменении температуры растворенная вода может перейти в водную эмульсию и тогда пробивное напряжение резко упадет.
Вода в виде отстоя тоже не влияет на электрическую прочность масла. Однако при повышении температуры отстой переходит в водную эмульсию, поэтому водный отстой из емкости с трансформаторным маслом необходимо сливать. При увлажнении трансформаторного масла пробивное напряжение падает еще значительнее, если оно загрязнено органическими волокнами, которые очень гигроскопичны и под действием электрического поля образуют проводящие цепочки между электродами.
Разрядное напряжение в значительной степени зависит от времени приложения напряжения.
Рис. 14. Типичная зависимость электрической прочности трансформаторного масла от процентного содержания в нем влаги
В жидкостях, как и в газах, если подъем разрядного напряжения происходит во времени, меньшем чем 10 мкс, стример не успевает развиться. Значительное снижение пробивного напряжения Unp происходит при времени приложения напряжения, большем чем 0,01 с. Поэтому при грозовых импульсах примеси, в том числе и влага, практически не снижают электрической прочности трансформаторного масла.
Рис. 15. Зависимость среднего пробивного напряжения технически чистого трансформаторного масла от расстояния между электродами стержень — плоскость:
1 - импульсная волна 1.5/4 мкс отрицательной полярности. 2 то же положительной полярности; 3 — плавный подъем напряжения промышленной частоты, 4 — одноми - нутное воздействие напряжения промышленной частоты
Разрядное напряжение в значительной мере зависит от длины промежутка между электродами, причем при положительной полярности разрядное напряжение ниже, чем при отрицательной. Это объясняется тем, что в жидкостях положительные и отрицательные стримеры развиваются так же, как и в газах. Разряд происходит в полупериод положительной полярности. Для жидких диэлектриков характерен значительный разброс пробивных напряжений относительно среднего значения. Это в значительной мере объясняется хаотическим характером процесса построения частиц примесей в цепочки вдоль силовых линий электрического поля. Чем больше загрязнено масло, тем больше и разброс пробивного напряжения. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет разброс £пр=30-^50%, в очищенном масле разброс £пр сокращается до 5—10%. Таким образом, разброс является показателем чистоты трансформаторного масла.
При плохом отводе тепла в жидких диэлектриках, так же, как и в твердых возможен тепловой пробой. Но если циркуляция масла обеспечена, то возможность тепловой формы пробоя исключается.
