Исследование старения и срока службы внутренней изоляции ВН - Закономерности старения изоляции и оценка срока службы силовых конденсаторов

УДК 621.319.4

И. П. Александрова, А. К. Манн, Р. Н. Мамина
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ОЦЕНКА СГОКА СЛУЖБЫ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
До 60-х годов не уделялось особого внимания оценке срока службы конденсаторов, выпускаемых заводами. Исследования, проведенные в НИИПТ, показали, что ни типовые, ни приемо-сдаточные испытания, предусмотренные ТУ, не дают достоверных сведений о сроке службы конденсатора. Они позволяют обнаруживать - лишь конструктивные и технологические ошибки и грубые дефекты, допущенные при изготовлении конденсаторов.
В работе [1] показано, что для определения срока службы конденсаторов, предназначенных для сооружения батарей, необходимо проведение их испытаний в режимах форсированного старения изоляции при условии сохранения идентичности процессов старения. По результатам таких испытаний рассчитывается срок службы конденсатора в режимах работы батареи. Испытание позволяет проследить за развитием процессов старения изоляции.

Рис. 1. Зависимость tg δ изоляции (1), температуры корпуса (2), емкости конденсатора (3) от времени испытаний конденсатора типа КСФ-1.05-50-У1 при t возд =
= const, f/„ = const

Старшие изоляции при переменном напряжении. Результаты длительных испытаний [2] показали, что температура корпуса конденсатора остается практически постоянной все время испытания (несколько тыс. ч) и только за 20-50 ч до отказа наблюдается постепенное повышение температуры перегрева корпуса  (tкорп -     tвозд)  приблизительно на 20 °С по сравнению с начальной (рис. 1). После пробоя изоляции одной секции, перегорания секционного предохранителя уменьшается емкость конденсатора, а температура корпуса снижается до начального значения. Перед пробоем каждой последующей секции происходит аналогичное возрастание температуры корпуса и процесс повторяется. Зависимость угла диэлектрических потерь tg δ изоляции конденсатора носит такой же характер. Электрическая прочность секций постоянна все время работы конденсатора (электрическая прочность изоляции секций при плавном подъеме напряжения одинакова для секций в исходном состоянии, для секций, состаренных за время т < т01, секций, у которых уже начался предпробивной рост tg δ, и секций, не пробившихся во время первого отказа к моменту времени т < ти, т < т03...). Электрическая прочность снижается за 10-20 ч. до отказа только той секции, которая находится в прея пробивном состоянии.
Конденсаторы, снятые со стенда после испытания, вскрывались, их секции разбирались. Все секции по характеру старения можно разделить на 3 группы: I группа - секции, в изоляции которых при работе не было найдено визуально никаких признаков старения. Эти секции находились в большинстве случаев в нижнем пакете в зоне малых температур нагрева изоляции; II труппа - секции, в изоляции которых при - разборе обнаружены слепы старения в виде образовавшейся газовой полости на площади 10-400 см9, однако нет канала пробоя в твердой изоляции и нет перегоревших предохранителей секции; III группа - секции, в изоляции которых имеется газовая полость на площади 10-400 см2 и канал пробоя в твердой изоляции диаметром 1-3 мм. Предохранитель секции перегорел. Секции II и III групп в основной массе находятся в верхней части верхнего пакета конденсатора в зоне максимального нагрева изоляции. Газовая полость развивается на начальных витках намотки секции, где температура изоляции имеет максимальное значение. Если вкладыши деформированы, то газовая полость развивается в зоне вкладыша. Край газовой полости удален от края фольги на расстояние не менее 25-30 мм, поэтому канал пробоя в твердой изоляции при старении всегда находится в зоне равномерного поля.
Если проследить изменение электрических характеристик изоляции секций с момента ее включения и до пробоя, то процесс старения изоляции можно разделить на три этапа. На первом этапе (несколько тыс. ч) протекает общий процесс старения изоляции. Он характеризуется в основном разложением пропитки и накоплением продуктов разложения жидкости между слоями твердой изоляции и фольги. В течение всего этого этапа не удается визуально обнаружить при разборе изоляции или измерить электрическими методами какие-либо изменения характеристик изоляции. В ряде работ указывается, что старение изоляции на этом этапе можно оценить химическими методами. Второй этап начинается с момента, когда в слое пропитки, который перенасыщен продуктами ее разложения, образуется единичная газовая пора. Размеры поры постепенно растут от разложения ее стенок под действием ч. р., развивающихся в полости. В этот период растет tg δ изоляции, температура изоляции, электрическая прочность изоляции начинает снижаться, корпус вспучивается. Третий этап связан с развитием пробивного канала в твердой изоляции. Канал развивается на площади газовой полости под действием ч. р. в месте максимального нагрева изоляции.
Оценка срока службы конденсаторов по данным стендовых испытаний. При воздействии переменного напряжения в прослойках жидкого диэлектрика, находящегося у поверхности электродов или между слоями бумаги или пленки, протекает процесс разложения диэлектрика под действием ч. р. В прослойках жидкости могут возникнуть ч. р. 3 типов: развивающиеся с края электрода, развивающиеся в равномерном поле с поверхности фольги на поверхность твердого диэлектрика (или между поверхностями твердого диэлектрика) и развивающиеся в промежутке между движущейся взвешенной частицей и электродом (или твердым диэлектриком) в момент ее перезаряда. В режимах эксплуатации и испытательных режимах воздействующее напряжение ниже напряжения начала ч. р. 1-го и 2-го типа, поэтому они не могут вызвать разложения пропитки на первом этапе ее старения, что и подтверждается характером развития старения изоляции в этих режимах. Интенсивность ч.   р. 1-го и 2-го типа не изменяется с повышением температуры и определяется только значением воздействующего напряжения и конструктивными особенностями изоляции. Температурная зависимость срока службы объясняется тем, что старение изоляции' обусловлено ч. р. 3-го типа, возникающими при перезаряде взвешенных в пропитке заряженных частиц. Процесс развивается следующим образом. Переносчиками активной составляющей тока (тока сквозной проводимости) в жидких диэлектриках являются заряженные частицы (ионы, молекулы примесей, примесные взвешенные частицы). Под действием поля они движутся упорядоченно, только некоторые из них перезаряжаются в момент приближения к электроду или поверхности твердого диэлектрика. Перезаряд частицы происходит в результате пробоя прослойки жидкости, находящейся между частицей и электродом или твердой изоляцией или другой частицей, и сопровождается импульсом тока во внешней цепи, а также световым импульсом. Процесс перезаряда частиц начинается При напряжении значительно ниже рабочего. С увеличением напряжения и температуры интенсивность ч. р., обусловленных перезарядом частиц, увеличивается. Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости пропитки и соответственно к увеличению скорости перемещения заряженных частиц и увеличению количества перезарядов.
Степень старения изоляции пропорциональна энергии, выделяющейся в прослойках жидкого диэлектрика от протекания тока, обусловленного перезарядом частиц. В работе [ 1 ] для определения энергии, выделяющейся в единичной прослойке (К’ж) за время г воздействия напряжения, предложена следующая формула:
(1)
где Рж - мощность, выделяющаяся в жидком диэлектрике на площади 1 см2; E/ж - напряжение на прослойке жидкого диэлектрика; и> - частота воздействующего напряжения; Сж — емкость 1 см2 жидкого диэлектрика в прослойке; а — температурный коэффициент зависимости tg δ пропитки (а = 0,03 °С“‘ для конденсаторного масла, для трихлордифенила а = 0,043 °С-1), р - коэффициент, определяющий зависимость tg δ пропитки от напряженности (0 = 0,138 мм/кВ- для конденсаторного масла, для трихлордифенила 0 = 0,097 мм/кВ); при E"ж < Е0 0=0; /0 = 0°С; E*„ = 10 кВ/мм; tg δ 0 — значение tg δ при /0 и Е<Е0, зависимость tg δ = tg δ 0 exp [ a (t - tB ) + р (E*-E*„)]. Мощность Ру&, выделяющаяся в отдельных прослойках, будет различной и определяется величиной tg δ 0, температурой t и электрическим полем в прослойке. Интенсивность старения максимальна в тех зонах, ще Рук максимальна.
После простых преобразований получим следующую формулу для определения энергии W0, выделяющейся в прослойках пропитки за время работы изоляции до отказа (т0 ) :

где Еук - напряженность в прослойках пропитки; с?ж - общая толщина слоев пропитки; S - площадь секций конденсатора; еж - диэлектрическая постоянная жидкого диэлектрика;

Из (3) найдем значение постоянного коэффициента М, пропорционального удельной энергии, выделяющейся в единице объема прослоек жидкого диэлектрика за все время работы конденсатора до момента отказа (пробоя секции) :

Значение удельной энергии разрушения единицы объема пропитывающей жидкостиопределяется свойствами самой жидкости и мало зависит от толщины и типа твердого диэлектрика. Значение tg δ 0 прослоек жидкого диэлектрика может быть различным, в зависимости от технологии изготовления конденсатора и возрастает при увеличении в прослойке числа и размера частиц. Для однотипной партии конденсаторов можно принять tg δ 0 = const. Как видно из (3), для этих конденсаторов М= const.
Срок службы конденсатора в рабочем режиме’'раб при Ера& и tpaS можно определить, зная величину М, исходя из (4):
(6)
В настоящее время нет достоверных данных, позволяющих определить значение Н'оуд и tg δ 0, что затрудняет вычисление М по (5). Поэтому для определения срока службы конденсатора необходимо проведение длительных испытаний до отказа партии конденсаторов в режиме форсированного старения изоляции при условии соблюдения идентичности процессов старения, в результате которых определяются т0и'%и,,ии затем по (4) и (6) определяются Л/и Траб.
Закономерности старения бумажнопропитанной изоляции и комбинированной пропитанной изоляции имеют много общего: в обоих случаях старение конденсатора определяется разрушением пропитки под действием перезаряда частиц. Применение пленки уменьшает tg δ изоляции более чем на порядок, т. е. приводит к уменьшению ее температуры и тока сквозной проводимости, соответственно уменьшается интенсивность разрушения пропитки. Поэтому при одинаковой загрузке жидкого диэлектрика в бумажнопропитанной и комбинированной изоляции, т. е. при E"жБ = E>КБ— П = const и равенстве температур изоляции конденсаторов с бумажной и бумажно-пленочной изоляцией в случае одной технологии изготовления конденсаторов тБ = тБ_ п.
Характер повреждения изоляции конденсаторов в режиме воздействия несинусоидального напряжения, идентичен развитию повреждения при синусоидальном напряжении. Постоянная h'Q в формуле (4) определяется по эквивалентному напряжению первой гармоники, амплитуда которого равна амплитудному значению несинусоидального напряжения С учетом oj = oj, соответственно определяется срок службы
по (6).
Старение изоляции конденсаторов, пропитанных трихлордифенилом, в режиме воздействия постоянного напряжения. Разбор изоляции бумажных конденсаторов после старения показал, что трихлордифенил, находящийся в порах бумаги, подвергся электрохимическому разложению [4]: бумага покрыта желтыми пятнами. Электрическая прочность бумаги снизилась до значений испытательных напряжений, при этом tg δ изоляции возрос.
Чем меньше ток сквозной проводимости твердой изоляции, тем больше ее срок службы. Степень старения можно оценить количеством заряда, прошедшим через изоляцию за время работы конденсатора (т). Заряд, протекающий за время т сквозь толщу листа пропитанной буМаГи площадью в 1 см2, может быть определен так:

где Eб — напряженность в слое бумаги; ро б - удельное сопротивление пропитанной бумаги при t = 0°С и Ев
Старение изоляции, пропитанной ТХД, в различных режимах ее работы, при разной температуре изоляции, напряженности (при условии, что направление тока не изменяется за все время старения) будет одинаковым, если выполнено условие:
Срок службы конденсатора т,- в режиме воздействия Щ, tf можно вычислить, исходя из условия (8), по формуле:

где — постоянный коэффициент, определяющий срок службы конденсатора в режиме воздействия постоянного напряжения, определяется по результатам испытания конденсатора до отказа по формуле
(10)
В конденсаторах с комбинированной изоляцией ток сквозной проводимости определяется сопротивлением пленки, так как рп > р6> рж. Поэтому постоянная
в этом случае определяется формулой:
(11)
Срок службы конденсатора с комбинированной изоляцией определяется по формуле, аналогичной (9), с учетом старения пленки по величине Л^п. Для бумажно-пленочных конденсаторов с, для бумажно-трихлордифениловых
конденсаторов (МКОН1-10), в случае применения бумаги с малыми
потерямиСрок службы бумажно-пленочных конденсаторов на 2 по
рядка больше срока службы бумажных конденсаторов, что обусловлено резким уменьшением тока сквозной проводимости в результате использования пленки.
Как показали длительные испытания, время работы конденсатора с пропиткой ТХД до отказа увеличивается при изменении полярности постоянного напряжения во время испытания, поэтому отмеченное явление следует учитывать при определении М=

Рис. 2. Взаимосвязь наработки по переменной и постоянной составляющим при воздействии пульсирующего напряжения

Старение конденсаторной изоляции с пропиткой ТХД под действием пульсирующего напряжения. Отказ изоляции при воздействии пульсирующего напряжения в зависимости от соотношения переменной и постоянной составляющей может наступить или из-за старения твердой изоляции, разрушающейся под действием постоянной составляющей, или старения жидкости в прослойках под действием переменной составляющей напряжения. Конденсаторы с бумажной изоляцией и пропиткой ТХД имеют малый срок службы, применение их нецелесообразно. Наложение постоянного напряжения на конденсатор, работающий при переменном напряжении, приводит к уменьшению его срока службы. Срок службы конденсатора при пульсирующем напряжении всегда меньше, чем при воздействии каждой составляющей порознь.
По экспериментальным данным [2] построена зависимость для конденсаторов, пропитанных ТХД позволяющая определить срок службы в режиме воздействия пульсирующего напряжения (рис. 2) при различных соотношениях переменной и постоянной составляющих воздействующего напряжения. По оси ординат отложено отношение коэффициента , полученного по (4) при воздействии пульсирующего напряжения до отказа конденсатора к коэффициенту М~ полученному по (4) при воздействии переменного напряжения до отказа конденсатора. По оси абсцисс отложено отношение     полученного по (10, 11) при испытании пульсирующим напряжением до отказа к М„, полученному по (10, 11) при испытании постоянным напряжением до отказа.

Выводы.

1. Срок службы конденсатора в режимах воздействия синусоидального переменного и несинусоидального переменного напряжения определяется скоростью старения пропитывающего диэлектрика, разрушающегося под действием перезаряда частиц. Интенсивность старения увеличивается с ростом температуры изоляции, напряженности электрического поля и частоты воздействующего напряжения.
2. В режимах воздействия рабочего и испытательного переменного напряжения зона старения изоляции, приводящего к пробою конденсатора, находится под электродом.
3. Для определения срока службы необходимо определение постоянной конденсатора.
4. Отказ изоляции при воздействии постоянного напряжения связан со старением твердой изоляции.
5. Срок службы изоляции при пульсирующем напряжении всегда меньше, чем при воздействии каждой из составляющих пульсирующего напряжения порознь.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александрова Н. П., Манн А. К. Методика расчета срока службы конденсаторов. Передача энергии постоянным и переменным током. - Труды НИИПТ, 1980, вып. 29.
2. Александрова Н. П., Мамина Р. Н., Галахова Л. Н., Шишкина И. А. Оценка срока службы силовых конденсаторов по данным стендовых испытаний (см. настоящий сборник).
3. Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область слабых полей). Гостехиздат, 1949.
4. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. Л., Энергия, 1969.