§ 3. Действие электрического поля
Опасными для изоляции в рабочих условиях являются частичные разряды (ч. р.), образующиеся как внутри, так и на внешней поверхности изоляции под действием электрического поля. При этом ч. р. действуют в зоне сердечника (пазовая часть) и в месте выхода обмотки из паза (краевая засть).
«Пазовые» разряды
Для понимания условий возникновения поверхностных ч. р. в пазовой части рассмотрим конструкцию обмотки в пазу. Очевидно, что пазовая часть секции (катушки или стержня) должна устанавливаться в паз сердечника свободно, и это условие, а также неровность и разброс в размерах паза сердечника и секции определяют существование некоторого зазора (не более 1 мм) между поверхностью изоляции я сердечником. Образуется двуслоная система изоляция — воздух, и легко показать, что в такой системе пробой воздушной компоненты (промежуток изоляция — сердечник) произойдет при напряжении, меньшем рабочего. Возникающие при этом интенсивные ч. р. и создаваемые ими продукты-окислители (озон, окислы азота) воздействуют на поверхность изоляции и элементы крепления обмотки, что ослабляет крепление секции способствует образованию и усилению вибрации ее в пазу. Поэтому для устранения этих явлений на пазовую часть обмоток электрических машин на напряжение 6 кВ и выше накладывают полупроводящий (п.п.) слой низкого сопротивления рп. Теперь напряжение на воздушном промежутке (вгт1.), определявшееся ранее соотношением емкостей в. п. и изоляции, резко понизилось и зависит от расстояния между точками контакта 1К, р„ и емкости изоляции Си:
*
(6)
Выражение (6) получено из уравнения R — С линии [2]. С помощью (6) легко убедиться, что, применяя п. п. слой с fin <1 10s Ом, достаточно обеспечить один контакт на метр длины секции чтобы понизить вп до безопасного уровня — минимального пробивного напряжения воздуха (минимум кривой Пашена), равного приблизительно 230 В. В старой системе изоляции (МКИ) некоторое разбухание изоляции при рабочей температуре обеспечивало необходимые контакты, и такая система эффективно применялась в течение почти 40 лет.
Однако переход на более надежную и высокоиспользуемую термореактивную изоляцию, не разбухающую при повышенной температуре, потребовал новых решений. Случайные контакты, образующиеся из-за некоторого искривления формы секций, оказались недостаточными, они быстро нарушались даже при небольшой вибрации, происходил разрыв проходящего через контакты емкостного тока, что в свою очередь ускоряло эрозию п. п. покрытия в этих местах и приводило в конце концов к образованию очень мощных ч. р. в виде микродугового разряда. Это явление, получившее название «пазового разряда», потребовало пересмотра конструкции пазового крепления, создания систем с постоянно действующими упругими контактами. Сейчас проблема «пазового разряда» практически решена, и это явление может встретиться только в некоторых давно изготовленных или неправильно сконструированных машинах.
Факторы, усиливающие действие электрического поля
Старение изоляции может существенно ускоряться, если одновременно с электрическим полем на изоляцию воздействуют другие факторы — температура, механические напряжения, увлажнение.
Температура. Если газовые включения имеют связь с атмосферой, то повышение температуры приводит к снижению плотности воздуха б(Т)/6(Т0)— Т0/Т что в соответствии с кривой Пашена снижает (/впр. Поэтому повышение температуры приводит к увеличению интенсивности внутренних и краевых ч. р.
В системе изоляции на основе полимерных материалов без слюдяного барьера происходит существенное снижение долговечности при комбинированном воздействии электрического поля и нагрева. В то же время для некоторых слюдосодержащих систем изоляции с термореактивным связующим установлено, что повышение температуры до рабочего уровня не ускоряет ее электрическое старение.
Механические напряжения. Воздействие электрического поля, в частности ч. р., приводит к разрыву связей между молекулами, т. е. такому же эффекту, как и длительные механические нагрузки. К ним следует отнести и термические внутренние напряжения, возникающие между элементами обмотки, связанными адгезионными силами, например, эмалированный провод — пропиточный состав. Уравнение долговечности в этом случае имеет вид [11]
(10)
где Uо — энергия активации процесса разрушения адгезионного соединения; у — структурный коэффициент, учитывающий концентрацию напряжения; сгВн — внутреннее напряжение; а — внешняя нагрузка; то — коэффициент, близкий по значению к периоду тепловых колебаний атомов (10~12 с); k — постоянная Больцмана; Т — температура. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают ускорение электрического старения при наложении изгибающих, растягивающих нагрузок (см. § 18).
Увлажнение. В большинстве случаев электрические машины работают в газовой среде при повышенной температуре, что исключает одновременное действие электрического поля и влажности. Однако для некоторых специальных задач используются машины, погруженные в воду (насосы, подводные механизмы). Для таких машин используются полимерные материалы, в которых так же, как и в погружных кабелях, возможно возникновение и развитие древовидных образований (водных дендритов). Срок жизни при этом резко сокращается и до настоящего времени не установлено какого-либо порогового значения напряжения, подобного напряжению начала ч. р., ниже которого прекращается старение.
