УДК 621.315.615.2:621.3.015.52
ПЕРЕКРЫТИЕ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА В МАСЛЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ*
Лундгард, Херстад, Анкер, Слетбак (Норвегия)
При конструировании изоляции трансформаторов высокого напряжения необходимо знать электрическую прочность как отдельных исходных материалов (масла, бумаги, электрокартона), так и их комбинаций. В таких элементах изоляции, как прокладки и опорные конструкции, важное значение имеет электрическая прочность вдоль поверхности твердой изоляции в жидкости. Механизм разряда в такой изоляции пока неясен. Поэтому усовершенствование знаний о влиянии различных параметров на электрическую прочность подобных конструкций позволит лучше использовать изоляционные материалы.
В изоляционной системе масло - твердый диэлектрик масло считается более слабым звеном. На его прочность влияет ряд параметров, среди которых наиболее существенные - наличие влаги и твердых загрязнений. В теории эффекта объема твердые загрязнения в жидкости рассматриваются как ослабленные места, в которых начинается разряд. Чем больше напряженный объем масла, тем больше вероятность пробоя при данном напряжении. Увеличение напряженности в масле у поверхности твердого диэлектрика из-за его высокой диэлектрической проницаемости может быть фактором, определяющим пробой. Есть другие предположения, например об увеличении количества частиц на поверхности твердого диэлектрика, о кавитации, вызванной усилением электродинамического движения масла при наличии барьеров. Есть предположение и об усилении поля под влиянием заряда на поверхности раздела; показано, однако, что поверхностный разряд мало влияет на макроскопическую картину поля.
Отмечая эти разнообразные предположения, объясняющие перекрытие вдоль поверхности при тангенциальной составляющей напряженности поля, следует сказать, что, по-видимому, механизм пробоя при переменном напряжении отличается от такового при импульсах. Условия в промежутке за время действия переменного напряжения могут меняться, что делает время важным параметром. Большинство исследований посвящено импульсному напряжению, а по прочности в тангенциальном поле при переменном напряжении опубликовано сравнительно мало данных.
Ниже рассматриваются разрядные явления в сравнительно больших промежутках при высоком напряжении. С целью приближения к обычной изоляции трансформаторов использовались изолированные бумагой электроды и обычное нафтеновое трансформаторное масло. Оценивалось влияние геометрии и диэлектрической проницаемости твердой изоляции, содержания влаги и частиц.
Объекты и методика испытаний.
Исследованные модели (рис. 1) состояли из двух параллельных медных проводников круглого сечения (диаметром 5,6 мм), скругленных на концах и установленных в фиксированной жесткой раме (рис. 2). Электроды были изолированы 24 слоями бумаги общей толщиной 1,5 мм; длина параллельной части около 150 мм, расстояние между электродами (по меди) 20 мм. В модели типа б прокладки из картона или полипропилена устанавливались перпендикулярно оси электродов.
*Lundgard L., Herstad К., Anker M. U., Sletbak J. Elashover along solid surfaces parallel to the electric field in liquid insulation at 50 Hz (Norway). Доклад 15-08 на сессии СИГРЭ 1986 г. Сокр. пер. с англ. В. М. Погостина.
Рис. 1. Типы исследованных моделей (поперечное сечение):
а - масляный промежуток между изолированными электродами; б - промежуток с прокладками; в — промежуток с односторонним прилеганием твердой изоляции; г — промежуток с двусторонним прилеганием твердой изоляции.
1 - электроды; 2 - бумажная изоляция; 3 - прокладка; 4 - лист электрокартона или полипропилена
Рис. 2. Эскиз модели
Для этих моделей было рассчитано на ЦВМ методом конечных элементов электрическое поле. При расчетах принимались следующие значения относительной диэлектрической проницаемости: масло 2,2; электрокартон 4,2; полипропилен 2,3; пропитанная бумага 3,6. Для модели типа б принималось, что между бумажной изоляцией и прокладкой имеется промежуток 0,5 мм. Если за единицу принять максимальную напряженность для модели без твердой изоляции (тип а), равную 0,07U, где U - напряжение между электродами, то максимальные напряженности получились следующие: для модели типа б - 1,49 (электрокартон) и 1,03 (полипропилен) в промежутке между прокладкой и бумажной изоляцией; для модели типа в - 1,03 (электрокартон) и 1,0 (полипропилен) и для модели типа г - 1,03 (электрокартон) в масляном клине между электродом и твердой изоляцией.
Схема испытательной установки показана на рис. 3. Модели размещались в испытательном баке объемом 600 л, оснащенном вводом высокого напряжения. Бак был установлен наклонно, и манипуляции с моделями можно было осуществлять через смотровое окно, не вынимая их на воздух. После каждого испытания с пробоем масло из бака могло пропускаться через фильтр и дегазирующеосушительную установку. При пробое в модели она шунтировалась защитным воздушным промежутком с триггерным поджигом, что позволяло предотвратить загрязнение масла в испытательном баке. Установка была дополнена также баком, где модели сушились и пропитывались маслом до помещения в испытательный бак.
Рис. 3. Схема испытательной установки:
1 — ввод ВН; 2 — испытательный бак; 3 — модель; 4 - трансформатор; 5 - защитные резисторы; 6 — делитель напряжения; 7 — защитный промежуток; 8 — триггерная схема поджига; 9 — насос и фильтр; 10 — масляный резервуар; 11 — подогреватель; 12 — осушитель; 13 — мостовая схема измерения ЧР; 14 — видеокамера; 15 — вентили для вакуумировки
Перед испытаниями каждая серия, состоящая из 10 моделей, пропитывалась маслом одновременно и затем загружалась в испытательный бак. Модели размещались наклонно под углом около 20° к горизонтали, причем в модели типа б лист твердой изоляции помещался под электродами, как показано на рис. 2.
Нормальные испытания на пробой проводились приложением напряжения частотой 50 Гц ступенями по 25 кВ с выдержкой на ступени 1 мин, начиная от напряжения 50 кВ. Максимальное прикладываемое испытательное напряжение для первых серий было 425 кВ, затем оно ограничивалось 400 кВ.
Для нескольких испытательных серий методика испытаний отличалась от нормальной. Для проверки влияния осаждения частиц на твердой изоляции в модели типа в две серии были испытаны при размещении листа твердой изоляции под электродами. Чтобы проверить влияние длительной выдержки напряжения, одна серия моделей типа в с твердой изоляцией под электродами испытывалась с предварительной выдержкой под напряжением. Модели этой серии были подвергнуты испытанию на выдерживание напряжением, равным среднему разрядному напряжению минус стандарт отклонения о для нормально испытанных моделей (290 кВ). После этого модели кондиционировались в течение 17 ч под напряжением (Uср - 2σ) = 225 кВ; затем следовали нормальные испытания на пробой ступенчато прикладываемым напряжением.
Из-за ограниченного размера испытательного напряжения некоторые модели выдержали испытание без разряда. Выдержавшие модели затем снова подвергались нормальному испытанию на пробой. Эти серии в табл. 1 и на рис. 5 обозначены как серии В.
При испытании каждой серии через постоянные интервалы времени измерялось содержание в масле частиц и влаги. При температуре испытания, равной температуре окружающего воздуха, содержание влаги очень мало и измерить его было сложно. Поэтому влагосодержание измерялось при повышенной температуре. Наименьшее влагосодержание, при котором проводилась большая часть испытаний, было 0,6 млн-1 (по массе) в масле, что соответствовало равновесному влагосодержанию в целлюлозе 0,8%. Некоторые испытания были проведены при влагосодержании 6 млн-1 в масле (3% в бумаге).
В хорошо отфильтрованном масле содержание частиц размером свыше 5 мкм было меньше 50 на 1 мл масла. При испытании нескольких серий содержание целлюлозных волокон увеличивалось почти в 10 раз. Распределение содержания частиц по размерам показано на рис. 4. Предполагалось, что все частицы - волокна целлюлозы, но нет гарантии отсутствия других частиц, поскольку счетчик частиц не позволял их различать.
Рис. 4. Зависимость числа N частиц в
- мл масла от их размера 1:
1 - хорошо отфильтрованное масло;
- — масло с добавкой волокон целлюлозы
При испытаниях измерялась интенсивность частичных разрядов балансным методом с чувствительностью 1 пКл. Для регистрации движения частиц в масле применялась видео- магнитная запись. В течение всех испытаний контролировалась электрическая прочность масла с помощью стандартного разрядника с промежутком 1,2 мм. Для каждой испытательной серии рассчитывались средние значения разрядных напряжений и их стандарт отклонения. Для моделей, в которых не было разряда при наибольшем испытательном напряжении, это напряжение принималось за максимальное разрядное. Это, конечно, искажало результаты статистической обработки, но давало результаты с запасом.
Для проверки достоверности разницы между средними разрядными напряжениями двух серий использовались Т-испытания по Стьюденту для разных моделей или условий. Ошибка за счет того, что наибольшее выдержанное напряжение принималось равным разрядному напряжению модели, должна приводить к консервативной оценке разницы между средними разрядными напряжениями двух серий, поскольку более высокое из двух учитываемых в расчете значений мало. Уровни достоверности, используемые для описания разницы между двумя испытательными сериями, оценивались в соответствии с обычными правилами.
Результаты испытаний представлены в табл. 1 и на рис. 5.
Проверка воспроизводимости результатов для трех типов моделей (а, б с картоном и полипропиленом) была сделана на двух испытательных сериях. Полученные результаты не имеют существенных различий, и их совпадающие значения нанесены на гистограммы рис. 5.
Таблица 1
* Номера серий даны в хронологическом порядке.
Примечание: ЭК - электрокартон, ПП - полипропилен; методы испытания: Н — ступенчатый, ВВ — вверх-вниз, П — предварительная выдержка.
Измерения содержания частиц и влаги, а также определение электрической прочности проб масла показали, что эти параметры были стабильны во время испытаний. При испытаниях в высушенном и очищенном масле заметных колебаний в определении разрядных напряжений не было.
Рис. 5. Гистограммы разрядных напряжений U для различных испытательных серий (если не оговорено, то применен нормальный ступенчатый метод испытания):
1 - сухое фильтрованное масло; 2 — фильтрованное увлажненное масло; 3 — увлажненное масло с частицами; 4 — метод вверх — вниз; 5 — предварительная выдержка под напряжением
В моделях типа α, в и г места разрядов равномерно распределены вдоль электродов, причем 60% разрядов было между параллельными участками электродов, а остальные - в местах закруглений; 20% разрядов в моделях с листом твердой изоляции под электродами не привели к видимым следам на поверхности листа, это доказывает, что разряд не следовал по поверхности раздела. В одной серии испытаний, где лист находился под электродами, видимых следов не было в 40% разрядов.
В моделях с прокладками (тип б) из картона 83% разрядов шли по прокладкам. Следует отметить, что при испытании в чистом и высушенном масле в одной из серий 8 и 9 разрядов шли по одной из внешних прокладок, тогда как в друг ой серии лишь один из 9 разрядов был таким же. Это, видимо, определяется тем, что в первой серии была допущена некоторая кривизна в линейной части электродов, и, как следствие, имелся увеличенный канал между бумажной изоляцией и прокладкой. В случае прокладок из полипропилена 38% разрядов шли по прокладкам. Содержание частиц и влаги не влияло заметно на среднее разрядное напряжение модели с масляным промежутком (тип а), тогда как в стандартном разряднике прочность масла снижалась на 4%.
Измерения частичных разрядов (ЧР) позволили отметить, что в моделях типа а, в и г перед разрядом заметных ЧР не наблюдалось. В моделях типа б с картонной прокладкой при напряжении 275 кВ кажущийся заряд ЧР возрастал до нескольких сотен пикокулонов, а затем усиливался до нескольких тысяч перед перекрытием. В случае прокладок из полипропилена таких ЧР не наблюдалось.
Результаты нескольких предварительных серий испытаний моделей типа а не включены в табл. 1, поскольку они были проведены при наличии в масле мелких металлических частиц (от конструкций бака). Среднее разрядное напряжение при этом было на 16% ниже, чем полученное на таких моделях позже (серии 7 и 14).
