7. ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПАУНДА ОТ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
В предыдущем параграфе рассматривалось влияние размеров образцов на электрическую прочность компаунда при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты. Однако для оценки срока службы изоляторов при их эксплуатации необходимо проведение длительных испытаний образцов. Эти эксперименты выполнялись многими авторами на образцах как со сферическими [16, 25, 30, 31], так и с плоскими электродами [22, 27, 32]. Наибольшая активная площадь в этих исследованиях, равная 520 см2, имела место у образцов, электроды которых были выполнены в виде коаксиальных цилиндров [33]. Иногда для ускорения испытаний [17] исследования проводились при напряжении повышенной частоты (1400 Гц). Эксперименты показали, что при заданном значении испытательного напряжения максимальное и минимальное время испытаний до пробоя образцов различается на один-два порядка. При достаточно большом числе образцов (около 10) результаты испытаний целесообразно представить в виде зависимости относительного числа образцов от времени их жизни. Следует отметить, что при определении надежности эксплуатации изоляторов КРУЭ наибольший интерес представляет собой область малых вероятностей пробоя изоляторов.
В работе [34] показано, что у эпоксидного компаунда в рассматриваемой области вероятности пробоя наиболее обосновано применение вейбулловской вероятностной функции. Поэтому результаты испытаний целесообразно выразить вейбулловской кривой для определения параметров /0 и р:
(6)
где F(ti) — вероятность пробоя изолятора при времени, равна или меньшем ti.
При малом числе образцов или при известных только минимальном и максимальном времени пробоя [25, 30, 31] среднее значение времени пробоя определяется логарифмической зависимостью. При заданных значениях испытательной напряжённости диэлектрика E, и E<„ по среднему значению времени пробоя ti и t0 можно найти коэффициент
Ввиду большого разброса значений ti и t0 определение параметра nt возможно в тех случаях, когда отношение ti к t0 rпревышает 3.. С целью проведения сравнительной оценки электрической прочности компаундов все данные приводились к активному объему, равному 10 см3, и среднему значению времен пробоя, равному 1000 ч (табл. 5).
Таблица 6
Продолжение табл. 5
Примечание. При среднем сроке службы 15 000, 167, 0,06 и 5,6 ч у. значение параметра бета будет соответственно 0,46, 0,435, 0,65 и 0,4.
Как следует из табл. 5, для компаунда «Эпокси-1/8» [25 наибольшая электрическая прочность составляет 32 кВ/мм, коэффициент nt является максимальным, равным 19—22, при времени воздействия напряжения, близком к минуте. При времени, приближающемся к 1000 ч, значение nt будет составлять для различных компаундов всего 11 —18. (Длина межэлектродного промежутка 1 мм, активный объем диэлектрика 0,02 см3, сферические электроды полированы). Для компаунда со смолой «аральдит-В» [17] с электрической прочностью, равной 32 кВ/мм, параметр tit составляет 17,5 при средних временах воздействия 30—2000 ч. Замена у образцов из этого компаунда полированных электродов на электроды в виде проводящего слоя, нанесенного на поверхность диэлектрика (серебряная паста), уменьшает электрическую прочность до 15,5 кВ/мм, а коэффициент nt —до 9—14 в зависимости от времени испытаний. Особенностью этих исследований является использование для их ускорения напряжения повышенной частоты, равной 1400 Гц Среднее время испытаний t0 в этих экспериментах, приведенное к частоте 50 Гц, составляет 15000 ч, а максимальное 100 000 ч. Коэффициент nt, полученный для средних значений времени испытаний 600 и 15000 ч, равен 14.
Рис. 13. Зависимость электрической прочности компаунда от времени воздействия переменного напряжения
Для компаундов, имеющих электрическую прочность 24— 27 кВ/мм [16, 27, 30], величина nt изменяется от 8 до 16 при времени испытаний, достигающем 2400 ч (длина межэлектродного промежутка составляет 1—5 мм, электроды отполированы). У компаунда с электродами, обработанными пескоструйным аппаратом, электрическая прочность составляет 14 кВ/мм (рис. 13) [19]. Наибольшее число испытуемых образцов (12 шт.) имело напряженность поля, равную 23 кВ/мм, при среднем времени испытаний 167 ч. В этом случае параметр р функции распределения Вейбулла составлял 0,43.
Испытания компаунда КФ-1 [31] показали, что при одноминутном воздействии переменного напряжения и при среднем времени испытаний, равном 5,6 ч параметр nt соответствует 15. Параметр р равен 0,65 и 0,4 для времени воздействия переменного напряжения 0,06 и 5,6 ч соответственно. Особенностью этих исследований является использование сравнительно больших межэлектродных промежутков. Поэтому пересчет электрической прочности эпоксидного компаунда производился с учетом параметра na, равного 4, и длины межэлектродного промежутка 5 мм.
В работе [33] отражены результаты испытаний коаксиальных образцов с активной площадью поверхности электродов, равной 520 см2. Значение их электрической прочности составляет 11,5 кВ/мм, а коэффициент nt изменяется от 12 до 14. Эти данные характерны тем, что они получены на образцах с большой длиной коаксиальных цилиндров (около 0,5 м), а также тем, что в этом случае электрическая прочность компаунда EG-1 сравнительно низка. Для примера можно отметить, что электрическая прочность такого компаунда, полученная на образцах со сферическими электродами, составляет 27 кВ/мм. Анализ результатов исследований показывает, что среднее значение коэффициента nt составляет 12 с возможным отклонением ± 3 для средних значений времени пробоя, равного или более 1000 ч.
Большой интерес представляет определение связи между параметром распределения р, коэффициентом nt и разбросом электрической прочности образцов, испытуемых при заданном времени испытаний tQ, например, равном 1 мин.
Если испытывать изоляцию не при заданной напряженности Е0 [см. формулу (6)], а при заданном времени испытаний to, то те образцы, у которых время до пробоя было менее /,• при напряженности Е0, будут пробиты при напряженности, не превышающей Ei, при времени испытаний t0. В этом случае можно написать
Заменяя п формуле (6) величину ti/t0 соотношением (Ei/E0)n‘, получим
(8)
т. е. вероятность пробоя при ti<tQ с заданной напряженностью Е0 равна той же величине вероятности пробоя при E,• < Е0 при заданном времени испытаний Необычно при заданном времени испытаний изоляторов определяются среднее значение пробивной напряженности Еср и коэффициент изменчивости с, которые характеризуются параметрами Е0 и рtit из выражения (8) [35]:
(9)
(10)
Опорный изолятор должен выдерживать не только номинальное напряжение при заданном сроке службы, но и приложение повышенного испытательного напряжения в течение 1 мин. Согласно ГОСТ 1516.2—76 соотношение повышенного напряжения к рабочему может превышать 3:1, что необходимо учитывать при выборе изоляции. Предположим, что допустимая напряженность изолятора равна максимальной напряженности в нем при номинальном напряжении. Тогда для nt < < 15 при испытании в течение 1 мин электрическая прочность изолятора превысит испытательное напряжение. Для изоляторов, у которых nt > 15, допустимая напряженность будет определяться не сроком его службы, а значением повышенного напряжения при испытании в течение 1 мин.
