Исследование стойкости литой эпоксидной изоляции к воздействию ЧР - Результаты исследований и их обсуждение

Разработанные для исследований образцы позволили охватить довольно широкий диапазон интенсивностей ЧР в изоляции - от 10-12 до 10-9 Кл.
Испытания при малых интенсивностях ЧР проводились на образцах типа А, при этом измерение характеристик разрядов осуществлялось по Публикации 270 МЭК. Испытания показали, что для данных образцов типа h=0,3 мм происходит скачкообразное изменение интенсивности ЧР, а также частоты и характера сигналов, вызванных этими разрядами и наблюдаемых на индикаторе. На рис. 3 приведена зависимость интенсивности ЧР от толщины газовой полости в образцах типа А. В принятой конструкции образцов при значении h = 0,3 мм интенсивность ЧР в момент их возникновения составляет 20-50 пКл. Испытания показали, что при времени воздействия напряжения 10-1-103 мин в образцах с распределенными в объеме диэлектрика газовыми включениями с увеличением интенсивности ЧР более 10 пКл происходит в слабонеоднородном поле значительное снижение электрической прочности изоляции (рис. 4, 5), причем при наличии ЧР интенсивностью менее 10 пКл практически не наблюдается отличия в значениях электрической прочности изоляции с ЧР и без них.
Полученные результаты могут быть объяснены тем, что характер электрического разряда в полости, ограниченной поверхностями диэлектриков, зависит от произведения давления газа полости Р на её размер в направлении силовых линий А, и при некотором критическом значении Ph происходит изменение механизма ЧР [6]. При малых значениях Ph наблюдаются разряды, охватывающие почти весь объем включения и обусловленные тем, что после пересечения единичной электронной лавиной промежутка разряжается вся поверхность полости. При больших значениях Ph разряд канала развивается из отдельных точек на поверхности диэлектрика, служащих центрами эмиссии. Последняя форма разряда связана не только с увеличением плотности выделяемой на поверхности полости энергии, но с резким возрастанием местных напряженностей поля.
Характерной особенностью зависимости, приведенной на рис. 5, является то, что она при линейной аппроксимации и малой интенсивности разряда может быть представлена в виде
(1) а при большой интенсивности
(2)

где τ — время до пробоя изоляции, мин; QB — максимальный кажущийся заряд в момент возникновения ЧР, пКл.

Рис. 3. Зависимость интенсивности ЧР от толщины газовой полости в образцах конструкции рис. 1 при давлении газа 0,1 МПа

Рис. 4. Зависимость кратковременной электрической прочности эпоксидной изоляции от интенсивности ЧР (Eq — нижняя граница электрической прочности 25 образцов без ЧР)

Рис. 5. Зависимость времени до пробоя эпоксидной изоляции от интенсивности ЧР (τ' - среднее время до пробоя изоляции без ЧР)

Полученные соотношения (1) и (2), а также данные рис. 4 позволяют сделать некоторые предположения о ходе кривых срока жизни изоляции при различной интенсивности ЧР.
Действительно, если принять, что кривые срока жизни в соответствии с [3] описываются соотношением
(3)
где Ет, Епр — электрическая прочность изоляции при длительном и кратковременном воздействии напряжения при времени т и ткр соответственно; m — постоянная, и учесть, что зависимость, приведенная на рис. 4, может быть аппроксимирована соотношением
(4)
то, подставляя в (3) соотношение (4), получаем

Соотношение (5) с учетом принятых предположений показывает связь между сроком службы изоляции, воздействующей напряженностью электрического поля и интенсивностью ЧР в момент их возникновения.
Сопоставляя (1), (2), (5) и принимая в последнем Ft = 20,2 кВ/мм, а ткр = 10-1 мин, можно оценить наклон кривой срока жизни для эпоксидной изоляции с газовыми включениями, распределенными в объеме диэлектрика, в которых происходят ЧР.
Такие оценки показывают, что при интенсивностях ЧР примерно до 10 пКл указанные соотношения наиболее близки при т=11—12, т. е. наклон кривых срока жизни в этом случае такой же, как и у изоляции, не имеющей ЧР [3]. При больших интенсивностях ЧР в момент их возникновения наклон кривой срока жизни увеличивается.
Из представленных данных следует также, что установить характер корреляционной зависимости срока службы изоляции от интенсивности ЧР при больших ее значениях крайне сложно из-за значительного разброса экспериментальных значений (одному и тому же сроку службы изоляции или ее электрической прочности соответствуют интенсивности ЧР, различающиеся на 2-3 порядка).
Существенно уменьшить указанный разброс позволяет модифицированная методика измерения интенсивности ЧР и обработка данных, которая заключается в следующем.
В исходном состоянии при подаче одного полупериода напряжения частоты 50 Гц измеряется:
напряжение возникновения ЧР UΒ; максимальный кажущийся заряд 2;
количество импульсов п.

Затем определяется эмпирически подобранная величина
(6)
(где U— напряжение, при котором проводилось старение изоляции в электрическом поле), которая характеризует энергию ЧР в течение одного полупериода напряжения и имеет размерность джоуль. Чем больше К, тем больше энергия, выделяемая ЧР и, следовательно, тем меньше может быть время жизни изоляции при старении ее в электрическом поле.
В табл. 1 и 2 приведены результаты определения характеристик ЧР при подаче на образцы типов В и С одного полупериода синусоидального напряжения, а также время жизни изоляции этих образцов при испытании напряжением 20 кВ при частоте 50 Гц. В табл. 3 приведены аналогичные характеристики, полученные при испытании трансформаторов тока на номинальное напряжение 10 кВ с литой эпоксидной изоляцией, и время жизни изоляции при длительном испытании напряжением 40 кВ при частоте 50 Гц. Приведенные данные показывают, что по значению К с достаточно высокой степенью вероятности можно судить об очередности пробоя образцов при испытаниях. Указанное значение К значительно лучше, чем любая из других характеристик ЧР Q, п, UB, коррелирует со сроком жизни изоляции при длительном действии напряжения.

Таблица 1. Характеристики ЧР и соответствующие им времена до пробоя для образцов типа В

Таблица 2. Характеристики ЧР и соответствующие им времена до пробоя для образцов типа С

Таблица 3. Характеристики ЧР и соответствующие им времена до пробоя трансформаторов тока с литой эпоксидной изоляцией

Примечание. Значения величин п, Q и Т определены при напряжении 20 кВ.

На рис. 6 приведены зависимости длительной электрической прочности изоляции образцов В и С и трансформаторов тока от коэффициента К, характеризующего энергию ЧР в течении одного полупериода напряжения.

Рис. 6. Зависимость времени жизни изоляции образцов и трансформаторов тока от коэффициента К, характеризующего энергию ЧР:
1 — образцы типа В; 2 - образцы типа С; 3 - трансформаторы тока

Выводы.

1. Значение максимального кажущегося заряда зависит от линейного размера газовой полости в направлении электрического поля, причем существует критический размер полости, при котором происходят резкое изменение кажущегося заряда и снижение электрической прочности изоляции.
2. В слабонеоднородных электрических полях имеет место вероятностная связь между значением максимального кажущегося заряда, количеством и напряжением возникновения ЧР и длительной электрической прочностью. Однако при измерении традиционными методами в этих случаях надежное прогнозирование электрической прочности практически невозможно.
3. Измерения характеристик ЧР на одном полупериоде промышленной частоты позволяют прогнозировать очередность пробоев при длительном воздействии электрического поля на эпоксидную изоляцию. В этом случае очередность пробоев образцов будет определяться эмпирически подобранной функцией, связывающей характеристики ЧР и характеризующей их энергию.

Список литературы

1. DaJdn Т. W., Studniazz S. A. Voltage endurance of epoxy resins with micro cavity type defects. -Proceedings IEEE International Conference on Electrical Insulations, Montreal, 1976.
2. Shibuya Y., Soledziowski S., Calderwood J. H. Void formation and electrical breakdown epoxy resins. - IEEE Transaction, PAS., 1977, v. 96, N 1.
3. Tangen K., LundT., Fergestag P. An evaluation of dielectric strength and lay time properties of epoxy resins bases on accelerated test. CIGRE, 1974 Session, August, Paris, Rep. 15-03.
4. Kamer H., Roll W. The resistivity of solid insulating materials against internal partial discharges. 3rd International symposium on High Voltage Engineering, Milan, 1979, Rep. 22-02.
5. IEC Recommendation, Publication 270. Partial discharge measurements, 1968.
6. Дмитриев А. В. Оценка узкой полости, ограниченной диэлектриком с одной или двух сторон. - ЖТФ, 1963,т. XXVIII.