Электрическая прочность изоляционных жидкостей зависит от большого числа влияющих факторов. Наряду с видом, длительностью и значением приложенного напряжения, а также формой, материалом и состоянием поверхности электродов на разрядное напряжение влияют содержание газов и воды, а также имеющиеся в масле примеси. Поэтому пробой жидкостей не поддается описанию какой-либо единой теорией, которая объясняла бы все наблюдаемые явления.
Рассмотрим механизмы пробоя при некоторых доминирующих факторах.
8.1.3.1. Скрытый газовый разряд.
При кратковременном переменном напряжении и особенно при импульсном напряжении предполагается, что пробой изоляционных жидкостей осуществляется электронами. Требуемые для него первичные электроны могут инжектироваться, как уже упоминалось в 8.1.2.1, с катода под действием высокой напряженности поля. К этому еще добавляется образование носителей зарядов за счет диссоциации (эффект Вина).
Лютер и его сотрудники показали, что прочность различных углеводородов определяется их плотностью, являющейся мерой «свободных» объемов в жидкости, а также парциальным давлением компонентов и их энергией ионизации [8.15, 8.16]. Они считали, что между молекулами жидкости имеются так называемые «пустоты», в которых под действием внешнего давления концентрируются более летучие компоненты масла («собственный пар») или растворенные в масле посторонние газы. В масле могут также возникать газовые микрообъемы вследствие газовыделения под влиянием электрического поля и при соударениях одинаково заряженных положительных или отрицательных ионов [8.17, 8.18].
Ионизационные процессы в газовых включениях приводят к перегреву и разложению масла вблизи включений, что вызывает дальнейшее газовыделение.
Кроме того, происходит увеличение концентрации носителей зарядов в масле, обусловленное диссоционными и ударными процессами, что в свою очередь приводит к увеличению плотности тока, дополнительному нагреву и образованию газовых пузырьков. Ионизационные процессы в газовых пузырьках повышают электропроводность газа и искажают распределение поля вблизи пузырьков. Таким образом возникает лавина носителей заряда, на головке которой напряженность поля может оказаться достаточной для непосредственной или ступенчатой ионизации жидкости. Термоионизация в образованном лавиной носителей заряда газовом канале завершает пробой промежутка в масле [8.9, 8.19—8.21].
Согласно этим представлениям протекающий в масле разряд называется также скрытым газовым разрядом.
Мостиковый пробой.
Даже если изолирующую жидкость перед заполнением устройств (силовых или измерительных трансформаторов и т. д.) тщательно отфильтровать, высушить и обезгазить (см. 8.1.5.1), то в процессе эксплуатации из бумаги и других элементов устройства в масло проникают макроскопические загрязнения (нити или другие нерастворимые частицы), а в негерметичных аппаратах, например в трансформаторах, через контактную с атмосферой поверхность попадает вода. Вода также образуется при старении масла. Нити целлюлозы впитывают влагу, в результате чего увеличивается их диэлектрическая проницаемость. При наложении электрического поля нити поляризуются и перемещаются, как и перманентные диполи, в область с максимальной напряженностью поля. Там они скапливаются, образуя проводящий мостик между электродами. Из-за высокой электропроводности мостика через него проходит ток большой плотности, в мостике выделяется джоу- лево тепло, что приводит к испарению содержащейся в нем воды, а также отдельных компонентов масла вблизи мостика, кипящих при низких температурах. В возникшем газовом пузыре и происходит пробой, который можно трактовать как локальный тепловой пробой в слабом месте [8.17, 8.22].
8.1.3.3. Измерение пробивного напряжения изоляционных жидкостей.
Электрическая прочность изоляционных жидкостей не является постоянной величиной, так как зависит от многих факторов, таких, например, как электродное устройство, длительность воздействия напряжения, форма напряжения и скорость его нарастания. Чтобы можно было сравнивать измеренные электрические прочности разных жидкостей, необходимо проводить измерения по нормированным методикам [например, VDE 0370, часть 1.12.78 (изоляционные масла); ASTMD 877 [8.24]; UTE NF CIRC 163].
Рис. 8.15. Электроды, рекомендуемые нормами VDE (η=0,97)
Рис. 8.16. Зависимости разрядных напряжения Ud (а) и напряженности Ed (б) трансформаторного масла с а'=3,Ы0-5 между электродами s ([8.2] и др.) при переменном напряжении:
1 — электроды по нормам VDE, температура 20 °C; 2 — то же, но температура 100 °C; 3 — электроды острие — острие, температура 20 °C
В соответствии с нормами VDE 0370 измерение прочности проводится следующим способом. Определяется пробивное напряжение промежутка 2,5 мм между нормированными электродами (рис. 8.15) при 20 °C. В качестве испытательного напряжения применяется практически синусоидальное напряжение частотой 50 Гц, возрастающее до пробоя со скоростью 2 кВ/с. Измеряется действующее значение разрядного напряжения. Для каждой пробы жидкости проводится шесть опытов с временным интервалом 2 мин (согласно нормам IEC 156 — спустя 1 мин после исчезновения различимых пузырьков, если это невозможно, то с интервалом 5 мин).
После каждого разряда жидкость между электродами перемешивается.
Разрядное напряжение определяется как среднее арифметическое значение из шести измерений. Различные значения разрядных напряжений в серии из шести измерений объясняются тем, что после каждого разряда возникают газы — продукты разложения масла (например, Н2 и низкомолекулярные углеводороды), которые с разной скоростью и в разных количествах растворяются в масле. Вследствие различных энергий ионизации газы, несмотря на перемешивание, оказывают влияние на разрядное напряжение при последующем пробое [8.5].
Наряду с важными указаниями по проведению экспериментов и оценке результатов измерений требованиями VDE установлены нормы на выполнение испытательного устройства, порядок работы с сосудом для масла и взятия пробы масла. Однако нет необходимости обсуждать здесь эти особые требования.
В отличие от норм VDE при методах, рекомендованных ASTM, используются круглые плоские электроды, a UTE — сферические. Различные формы электродов характеризуются разными коэффициентами η Швайгера (см. п. 5.4.1) или степенями неоднородностей поля. Однако для изолирующих жидкостей не установлено однозначной зависимости электрической прочности от степени неоднородности поля электродной системы. Увеличивающаяся неоднородность поля ослабляет промежуток, одновременно усиливается поток жидкости в межэлектродном промежутке, что препятствует образованию зон объемного заряда у поверхности электродов и затрудняет возникновение первых стадий разряда, т. е. приводит к упрочнению промежутка [8.1]. На эффект движения жидкости накладывается эффект объема, который с увеличением объема жидкости в наиболее напряженной части промежутка приводит к снижению электрической прочности. Если рассмотреть электрическую прочность различных промежутков, например, с электродами, рекомендованными нормами VDE, и с электродами острие — острие, то окажется, что разрядное напряжение при увеличении расстояния в первый момент очень сильно возрастает, а затем возрастает значительно медленнее: при увеличении нагруженного изоляционного объема возрастает вероятность пробоя в «слабых» местах и пробивная напряженность несколько уменьшается (рис. 8.16).
Рис. 8.17. Вероятности разрядных напряжений Р высушенного и обезгаженного трансформаторного масла при одном и том же расстоянии между электродами, но с разными формами электродов [8.25]:
1 — ASTM; 2 — UTE; 3 — VDE
Этим можно объяснить и то, что при одном и том же расстоянии s = 2,5 мм разрядное напряжение с электродами, рекомендованными нормами ASTM (плоский круг диаметром 25,4 мм), ниже, чем с электродами, рекомендованными нормами UTE (шары диаметром 12,5 мм, η = 0,87) и в свою очередь меньше, чем с электродами по нормам VDE (электроды диаметром 36 мм с радиусом закругления 25 мм, η = 0,97). На рис. 8.17 приведены результаты измерений электрической прочности разными методами с использованием большого числа экспериментов и распределения Вейбулла. Электрическая прочность характеризуется 63,2%-ным разрядным напряжением.
Согласно нормам ASTM. используются дисковые электроды диаметром 25,4 мм с острыми краями. Вдали от краев между электродами поле однородно, но повышение напряженности поля у краев приводит к пробою уже при относительно небольших напряжениях. Кроме того, у этих электродов напряженный объем масла больше, чем у остальных. Этим и объясняется меньшее разрядное напряжение, полученное по нормам ASTM. Влияние эффекта объема, вероятно, при этом имеет второстепенное значение.
В случае электродов, рекомендуемых нормами VDE и UTE, можно говорить о квазиоднородном поле, и разрядные напряжения оказываются выше, чем в случае электродов по нормам ASTM. Электроды по VDE с η = 0,97 дают заметно большие разрядные напряжения, чем по UTE с η = 0,87. Это различие необходимо учитывать при оценке данных по электрической прочности жидкостей, полученных в разных странах.
Электрическая прочность жидкости даже при определенном электродном устройстве зависит от длительности воздействия напряжения. Она уменьшается с увеличением времени воздействия, так как при этом возрастает вероятность совпадения обстоятельств, облегчающих процесс пробоя.
Скорость подъема напряжения также оказывает заметное влияние на разрядное напряжение электродного устройства с жидкостью. Чем выше скорость подъема, тем больше разрядное напряжение. Поэтому электрическая прочность при импульсном напряжении много выше, чем при переменном напряжении (рис. 8.18).
Влияние температуры, содержания газа и влаги на электрическую прочность.
На рис. 8.19 представлены зависимости электрической прочности минерального масла от температуры, полученные при s = 2,5 мм и форме электродов, рекомендуемых нормами VDE. Оказывается, что электрическая прочность при малом содержании влаги почти не зависит от температуры, в то время как при большом содержании воды зависимости начинаются с малых значений электрической прочности, которая возрастает с увеличением температуры.
Зависимости разрядных напряженностей поля как от температуры, так и от содержания воды можно обобщить, если связать их с относительной влажностью (содержащейся в масле водой, отнесенной к концентрации насыщения при температуре проведения эксперимента).
Рис. 8.18. Зависимости разрядных напряжений минерального масла от расстояния между электродами s [8.23]:
- — 50 %-ное импульсное напряжение (1,2/50 мкс) отрицательной полярности; 2 — то же при положительной, полярности; 3 — переменное напряжение частотой 50 Гц
Такая зависимость для минерального масла представляет собой одну кривую при любых температурах и содержаниях воды (рис. 8.20).
При увеличении относительной влажности электрическая прочность уменьшается и достигает при влажности 100% нижнего предельного значения. В области насыщения, когда вода существует в масле в виде эмульсии, пробивная напряженность не зависит от содержания воды и остается предельно низкой.
Рис. 8.20. Зависимость разрядной напряженности трансформаторного масла Ed от относительной влажности Wrel [8.2]
Часто в литературе встречается некорректное утверждение о том, что прочность изоляционных жидкостей не зависит от температуры. В высушенной жидкости (содержание воды менее 5-10-6) она действительно не зависит от температуры. Измеренная прочность увлажненной жидкости кажется не зависящей от температуры, так как в жидкости с определенным содержанием воды при нагреве уменьшается относительная влажность и прочность согласно рис. 8.20 увеличивается, хотя абсолютное содержание воды и жидкости не изменяется.
Электрическая прочность жидкостей не зависит от количества растворенного газа. Лишь в отдельных случаях установлена зависимость прочности от рода газа, которая объясняется различием физико-химических свойств газов [8.5, 8.16]. Если же газа много и он находится в диспергированном состоянии, то электрическая прочность заметно уменьшается из-за ЧР в газовых пузырьках.
Электрическая прочность в области стационарных частичных разрядов.
В электродных системах с сильнонеоднородным полем (коэффициент Швайгера η = 0,14-0,2), прежде чем произойдет пробой, наблюдаются ЧР в жидкости. Примером такой системы является система острие — плоскость, погруженная в масло. С помощью этой системы в лабораторных условиях при сравнительно невысоких затратах можно исследовать влияние загрязнений масла, остриев и краев электродов в трансформаторах, конденсаторах и т. д. на электрическую прочность различных изоляционных жидкостей.
На рис. 8.21 приведены зависимости разрядного напряжения, напряжения появления ЧР, а также частоты следования этих разрядов от расстояния между электродами системы игла — плоскость для трансформаторного масла. При расстояниях до 4 см пробой происходит сразу без ЧР. Устойчивые ЧР возникают лишь тогда, когда расстояние превышает некоторое значение (в нашем случае 4 см), что, вероятно, связано с достижением определенной степени неоднородности поля. Из рис. 8.21 отчетливо видно, что с увеличением расстояния и напряжения растет частота следования ЧР.
Уже отмечалось, что в поле, близком к однородному, электрическая прочность жидкостей сильно зависит от содержания влаги (см. рис. 8.20), в то время как газы, если они находятся в растворенном состоянии, не влияют на прочность. Аналогичная закономерность наблюдается и в неоднородном поле. Если построить зависимость напряженности появления ЧР от относительной влажности при одном и том же расстоянии между электродами (и постоянной степени неоднородности поля), то окажется, что напряженность, которая высока при малой влажности, начнет падать с увеличением влажности (рис. 8.22), т. е. электрическая прочность высоконагруженной области у острия уменьшится. Другим окажется и влияние растворенных газов. Если в сухом и обезгаженном масле растворить SF6, то напряженность появления ЧР упадет даже в области ненасыщенного раствора, при этом снижение напряженности с увеличением степени насыщения будет более медленным, чем при водяном паре.
Максимальная напряженность, приведенная на рис. 8.22, представляет собой расчетное значение напряженности в предположении, что электрод имеет форму гиперболоида, а объемный заряд отсутствует. Если отнести эту напряженность к средней напряженности Е0=U/s, то получим коэффициент усиления поля
(8.31)
равный обратной величине коэффициента η Швайгера. Для данного устройства 1/η = 445.
Таблица 8.1. Начальное напряжение частичных разрядов UTE и начальная напряженность Ете в некоторых жидкостях при гиперболическом острие радиусом r =6 мкм, расстоянии между электродами s = 4 см [8.25] и температуре 20 °C
В то время как влияние влажности важно для трансформаторов, находящихся в эксплуатации, влияние растворенного элегаза приобретает значение для трансформаторов и масляных кабелей, используемых в закрытых элегазовых распределительных устройствах, поскольку элегаз может со временем диффундировать в трансформаторы и кабели через разделительные эпоксидные перегородки.
Так как ЧР в жидкости имеют очень большое значение для силовых и измерительных трансформаторов, конденсаторов, то, как и при определении прочности, введены международные нормы для регистрации начальных напряжений и напряженностей, при этом использована система острие — плоскость, показанная на рис. 8.23.
Радиус закругления электрода, расстояние между электродами, диаметр электродов, естественно, являются определяющими для напряжения возникновения ЧР. Для того чтобы начальное напряжение сильно отличалось от разрядного, рекомендуются следующие размеры: радиус закругления 6 мкм, расстояние между электродами 4 см, диаметр плоского электрода 8 см [8.26]. Соответствующие рекомендации МЭК находятся в стадии подготовки. Данные о начальных напряжениях Ute и напряженностях ЕТE, полученные с помощью описанного устройства для различных сухих и очищенных жидкостей, приведены в табл. 8.1.
Жидкости, используемые в трансформаторах и конденсаторах, имеют разные Ute и Ете.
Влияние содержания воды и газов на напряженность появления ЧР в аналогичном устройстве уже обсуждалось ранее (см. рис. 8.22). Присутствие мельчайших включений приводит также к снижению начальной напряженности Ете.
