Сравнительные и разрядные характеристики элегаза и его смесей
Рис. 15. Сравнение прочности промежутков в элегазе, воздухе и трансформаторном масле
Сравнение электрической прочности элегаза с прочностью воздуха и масла. При решении тех или иных практических задач и, в частности, при технико-экономическом обосновании конструктивных вариантов возникает необходимость сравнить электрическую прочность элегаза с прочностью воздуха или масла.
Чтобы при этом избежать возможных ошибок, необходимо помнить, что результат, полученный при одних конкретных условиях, нельзя распространять на другие или во всяком случае это делать надо с очень большой осторожностью, так как изменение расстояния между электродами, радиуса кривизны и других факторов по-разному влияет на электрическую прочность элегаза, воздуха и масла. Например, из РИС. 3 ВИДНО, ЧТО при Раб =
= 5,5 кГ/см2 электрическая прочность элегаза в 4 раза больше прочности воздуха, а при раб=11 кГ/см2 — всего лишь в 1,3 раза.
Характер электрического поля между электродами шар — плоскость (см. рис. 6) существенно зависит от расстояния s. Поэтому при увеличении расстояния относительная электрическая прочность меняется в широких пределах. Так, как видно из рис. 6, при s = 2,5 см Uпр = 2,4; при s=10 см прочность промежутка в элегазе равна таковой в воздухе, а при еще больших расстояниях прочность элегаза становится меньше прочности воздуха.
На рис. 15 приведены зависимости пробивного напряжения от давления для элегаза и воздуха при разных расстояниях между электродами и для сравнения значения пробивного напряжения трансформаторного масла N10C (26]. Электродами служили шар диаметром 12,7 мм и плоскость. Из рисунка видно, что в сравнительно равномерном поле при расстоянии между электродами, равном 12,7 мм, этот промежуток в элегазе достигает прочности масла при давлении 2,7 кГ/см2. Однако электрическая прочность масел существенным образом изменяется в зависимости от толщины слоя диэлектрика между электродами, ухудшаясь при увеличении зазора между ними. Поэтому, как видно из этого рисунка, трехкратное увеличение промежутка привело лишь к незначительному увеличению электрической прочности промежутка в масле. Именно поэтому, а также вследствие того, что в менее равномерном поле пробой в элегазе существенным образом стабилизирован короной, электрическая прочность элегаза достигает прочности масла при давлении всего лишь около 1 кГ/см2. При еще больших расстояниях прочность, равная прочности масла, может быть достигнута в элегазе и при атмосферном давлении. Электрическая прочность масла зависит от случайных фактов, главнейшими из которых являются загрязнения. Частицы примесей в жидкости обладают, как правило, значительной подвижностью. Под действием электрического поля в связи с этим происходит перераспределение частиц примесей, которое не только влияет на степень однородности поля, но и приводит к возникновению разного рода вторичных процессов: образованию мостиков из твердых частиц, проводящих каналов и т. д. В выключателях, например, после первого же отключения масло становится настолько загрязненным, что электрическая прочность его снижается более чем на порядок. Поэтому при расчете промежутков масляных выключателей, которые должны выдерживать восстанавливающееся напряжение, приходится учитывать явление загрязнения масла. В элегазовых же выключателях образующиеся в процессе отключения твердые частицы низших фторидов оседают на поверхности и практически не оказывают влияния на электрическую прочность промежутка.
Не следует также забывать и о том, что применение масляной изоляции требует большого количества масла, специальных устройств (сливных колодцев, расширительных баков и т. д.), тщательного ухода за ним в процессе эксплуатации и связано с опасностью пожара и взрыва.
Разряд по поверхности диэлектрика.
Разряд по поверхности диэлектрика, находящегося в газе, представляет собой по существу пробой этого газа, происходящий, однако, в специфических условиях, обусловленных присутствием диэлектрика, наличие которого может существенно изменить электрическое поле. Кроме того, на поверхности диэлектрика, помещенного в сильное электрическое поле, происходит ряд процессов, которые искажают поле и влияют на процесс разряда. Так, например, на ней могут накапливаться поверхностные заряды, которые будут оказывать влияние как на форму электрического поля, так и на объемную ионизацию воздуха. Поэтому напряжение, при котором происходит поверхностный разряд — разрядное напряжение, может значительно отличаться от пробивного напряжения газа при тех же условиях, но в случае отсутствия диэлектрика.
Следует отметить, что и характер изменений электрического поля, возникающих при введении в междуконтактный промежуток диэлектрика, и интенсивность процессов на его поверхности зависят от свойств изоляционного материала. Наконец разрядное напряжение в любом газе, а в элегазе в особенности, сильно зависит от влажности. Однако в конструкциях элегазовых аппаратов должен применяться практически сухой элегаз, поэтому влияние влажности на величину разрядного напряжения в данной работе не рассматривается.
Как и в случае пробоя чисто газового промежутка, на величину разрядного напряжения существенное влияние оказывает характер электрического поля. Наибольшие значения разрядного напряжения достигаются в равномерном поле, примером которого могут служить плоские электроды с закругленными краями (типа электродов Роговского), между которыми помещаются образцы диэлектрика цилиндрической формы. Но даже и в этом случае вследствие того, что диэлектрическая проницаемость диэлектрика существенно больше, чем у газа, электрическое поле будет искажено. Однако, если площадь торцов образца много меньше площади электродов, это искажение практически не скажется на величине разрядного напряжения. В этом случае при обеспечении очень хорошего контакта с электродами (торцы образцов посеребрены) разрядное напряжение практически совпадает с пробивным.
В случае плохого контакта или при наличии даже весьма малого зазора электрическое поле искажено, однородность его нарушена и разрядное напряжение становится значительно ниже пробивного, что иллюстрируется рис. 16 (данные ЛПИ). Уже при наличии зазора в 0,05 мм разрядное напряжение значительно снижается, причем снижение тем больше, чем выше давление воздуха. Так, например, для раб = 8 кг/см2 снижение по отношению к разрядному напряжению образца без зазора достигает 40%. При толщине же зазора 0,5 мм и том же давлении разрядное напряжение составляет всего лишь 35% от первоначального значения [27].
Из-за повышенной напряженности электрического поля в зазоре (во всем диапазоне давлений) разряду предшествует корона, появляющаяся при напряжении, равном 30—50% разрядного. При отсутствии зазора корона не наблюдалась. Как видно из рис. 16, при наличии зазора способ повышения разрядного напряжения и напряжения начала короны увеличением давления является не эффективным. Указанное снижение разрядного напряжения по сравнению с пробивным возрастает с увеличением длины цилиндров, так как при этом поле искажается все в большей степени.
На поверхности диэлектрика в ряде случаев под действием электрического поля происходит перемещение зарядов и их накопление у электродов. Это в свою очередь приводит к нарушению однородности поля, так что поверхностный разряд происходит в действительности в неоднородном поле и разрядное напряжение вследствие этого снижается.
Рис. 16. Зависимость разрядного напряжения и напряжения начала короны от толщины зазора между изоляционным образцом и цилиндрическим электродом и давления воздуха разрядное напряжение, --------- напряжение начала короны
Образование зарядов на поверхности диэлектрика развивается во времени. При частоте 50 гц этот процесс успевает развиться, при импульсах же нет. Поэтому импульсное разрядное напряжение, как правило, значительно выше разрядного напряжения при промышленной частоте.
В реальных конструкциях электрических аппаратов приходится иметь дело с полями не только слабо неоднородными, но и с полями большей или меньшей степени неоднородности. Хотя основные положения разряда в однородном поле при этом сохраняются, процесс поверхностного разряда в неоднородном поле протекает более сложно. При этом по-разному в полях со слабо выраженной составляющей, нормальной к поверхности
диэлектрика и в полях с явно выраженной нормальной составляющей.
В полях со слабо выраженной нормальной составляющей ввиду того, что неоднородность поля обусловлена формой электродов и элемента из изоляционного материала, дополнительное искажение поля, вызываемое поверхностными зарядами, не может значительно снизить разрядное напряжение. Более того, могут наблюдаться случаи, когда введение диэлектрика в промежуток между электродами определенной формы приводит к уменьшению неравномерности электрического поля и, следовательно, к возрастанию разрядного напряжения даже по сравнению с пробивным.
Исследование показало, что наибольшее разрядное напряжение обеспечивается тогда, когда диаметр образца d равен диаметру электродов D, причем в этом случае оно выше пробивного. Это можно объяснить следующим образом. Когда испытуемый образец является как бы продолжением электрода, напряженность электрического поля у острого края электрода снижается из-за большей диэлектрической проницаемости образца, что подтверждается ослаблением короны в этом случае.
Если же D>d, то выступающий острый край электрода создает резко неравномерное поле, вследствие чего разрядное напряжение снижается. В случае же, когда d>D, выступающий край образца создает благоприятные условия для возникновения скользящего разряда у электрода, что также приводит к снижению разрядного напряжения.
На рис. 17 (данные ЛПИ) приведены результаты исследования разрядного и пробивного напряжения и напряжения начала короны (пунктир) в элегазе для случая d = D.
Как видно из рисунков, разрядное напряжение для всех высот изоляционных образцов растет монотонно с повышением давления. В кривых же пробивного напряжения для h = 29 и 38 мм наблюдается максимум, свойственный резко неравномерному полю в электроотрицательных газах.
В отличие от воздуха в элегазе при давлениях, меньших Раб = 2 к Г/см2, пробивное напряжение равно или даже больше разрядного. Во всех случаях пробою промежутка без образца предшествовала корона. При наличии же образца в промежутках 13,5 и 20 мм короны не наблюдалось. Интересно отметить, что показанные на рис. 17 кривые начала короны при наличии образца лежат значительно выше таковых при его отсутствии. Это лишний раз подтверждает, что при наличии образца электрическое поле становится более равномерным. Все кривые разрядных напряжений в элегазе, приведенные на рис. 17, описываются эмпирической формулой.
где р — абсолютное давление, кГ/см2; h — высота образца, см.
Эта формула с наибольшей погрешностью, не превышающей 15%, позволяет вычислить разрядное напряжение в случае, когда 1<h<5 см.
Рис. 17. Зависимость разрядного и пробивного напряжения, а также напряжения начала короны от давления и высоты образца h: 1 — разрядные напряжения; 2 — пробивное напряжение; 3 — напряжение -начала короны при отсутствии образца; 4 — напряжение начала короны при наличии образца
В случае же значительной величины нормальной составляющей разрядное напряжение существенно снижается, так как эта составляющая электрического поля «прижимает» заряды к поверхности диэлектрика и вследствие скопления зарядов поле становится менее равномерным. Кроме того, поверхностные заряды усиливают объемную ионизацию газа. Важно также отметить, что в этом случае разрядное напряжение растет более медленно с увеличением расстояния между электродами, особенно при больших величинах последнего.
Для ослабления нормальной составляющей электрического поля и уменьшения вызываемых ею последствий в штанги и другие изоляционные детали целесообразно вводить внутренние электроды, перераспределяющие электрическое поле у поверхности, или применять электроды с экранами.
Исследования показали [27], что наличие экранирующей арматуры обеспечивает повышение разрядного напряжения до 50%, причем существенное влияние на его величину имеет высота экрана.
Вопрос сочленения диэлектрика с электродом имеет весьма важное значение и в случае коаксиальных цилиндрических электродов, имеющих важное практическое значение. В случае плотного прилегания к электродам фторопластовой шайбы разрядное напряжение и в элегазе, и в воздухе незначительно отличается от пробивного. При неплотном же прилегании разрядное напряжение существенно ниже пробивного. Применяя вместо цилиндрической шайбы коническую изоляционную распорку, можно существенно повысить разрядное напряжение, однако наличие зазора тем не менее недопустимо из-за короны, которая в этом случае может возникать не только при испытательном напряжении, но и при рабочем.
