Система слюдяная бумага - стеклоткань.
В образцах, изготовленных в нормальных технологических условиях, наблюдалось возникновение ЧР. а-Е =3; б-Е =6; с-Е =9 кВ/мм; Ео - напряжение начала ЧР; Еw = 3 кВ/мм; N - общая частота разрядов, пересчитана для времени в часах при работе на 50 Гц
Было, однако, обнаружено, что в диапазоне электрических нагрузок 3—12 кВ/мм кривая изменения количества ЧР во времени носит затухающий характер (рис. 2) и может быть представлена в виде двух экспоненциальных составляющих с различными постоянными времени. Наличие этих составляющих может объяснять две причины затухающего характера разрядов: изменение состояния газа в естественных пустотах под влиянием разрядов и диффузия электронов из источника разрядов в диэлектрик. На это указывает и процесс регенерации разрядов, который можно заметить после определенной паузы в приложении напряжения.
Рис. 3. Изменение частоты отдельных разрядов во времени в изоляции на основе слюдяной бумаги и стеклоткани с искусственными расслоениями:
После такой паузы характеристики интенсивности разрядов повторяются и процесс, происходящий во время действия разрядов, в таком случае является обратимым.
При исследовании образцов с искусственным расслоением также было установлено возникновение ЧР, но отличающихся большей интенсивностью, что явно обусловлено значительным объемом источника ЧР, действующего в данном случае. Характер изменения интенсивности ЧР в этом случае в большей степени зависит от электрической нагрузки. Помимо этого было установлено существование такого значения электрической напряженности, лежащего в пределах практически встречающихся значений, выше которого в характере разрядов уже не отмечается снижения интенсивности. Последовательные распределения разрядов, зарегистрированные в процессе старения, говорят либо о практически стабильном характере его, либо даже показывают увеличение частоты и максимального значения. Примеры изменения частоты разрядов и значения напряжения начала ЧР во времени при различных нагрузках в процессе старения показаны на рис. 3. Воздействие стабильных ЧР ведет к необратимым изменениям структуры диэлектрика. Первым видимым результатом таких изменений является эрозия эпоксидной смолы. В зависимости от электрической нагрузки и времени старения эта эрозия имеет различный характер, что видно под микроскопом: от изменений поверхности на значительных участках при низкой напряженности электрического поля до местных значительных изъязвлений при более высоких значениях напряженности. Пример образца изоляционного материала в исходном состоянии до процесса старения и после появления эрозии на поверхности приведен на рис. 4. Изменение характера поверхности некоторых образцов обнаруживалось при напряженности около 6 кВ/мм. Эрозия диэлектрика в ходе дальнейшего старения ведет к пробою изоляционной системы. Было также установлено, что для начала эрозии необходимо, чтобы внешняя энергия измеренных импульсов в общем диапазоне распределения разрядов превышала бы уровень примерно 2 мкДж (рис. 5). Дальнейшее развитие процесса эрозии может происходить и при некотором снижении энергии разрядов. Возможность определения порогового значения напряженности, выше которого начинает развиваться разрушительная эрозия, имеет практическое значение для оптимизации систем изоляции. Было также установлено, что метод обнаружения ЧР обеспечивает более высокую чувствительность, чем измерение tgδ. В частности, измерения tg δ и ∆tgδ не позволяют регистрировать начальных стадий процесса эрозии.
Система слюдяная бумага — полиэфирная пленка.
Интенсивность ЧР в этой системе в процессе старения имеет убывающий характер (рис. 6). Разряды в образцах с искусственным расслоением, прошедших старение при практических значениях напряженности электрического поля (до 12 кВ/мм), тоже носили затухающий характер, но время затухания оказалось короче, чем в системе слюдяная бумага — стеклоткань. Развитие эрозии в указанном диапазоне нагрузок не наблюдалось. Можно предположить, что под влиянием эмиссии электронов из источника разрядов в полиэфирной пленке возникает значительный пространственный заряд, что и является причиной уменьшения ЧР.
Рис. 4. Поверхность изоляционного материала на основе слюдяной бумаги и стеклоткани: .
а - до старения; б - после 200 ч старения
Пространственный заряд снижает местную напряженность электрического поля и исключает возможность возникновения разрядов с энергией, достаточной для инициирования процесса эрозии материала. Слюдяная бумага работает в этой системе как барьер, препятствующий образованию чрезмерного пространственного заряда и увеличению проводимости, что привело бы к нежелательным явлениям. При этом только одна слюда обладает стойкостью к эрозийному воздействию разрядов. Полиэфирная пленка, несмотря на малую стойкость к воздействию ЧР, выступает в данной системе в роли стабилизатора, защищающего систему от разрушительного действия этих разрядов. Эффективность такой защиты зависит от динамики изменений проводимости в районе источника разрядов. Исчезновение ЧР должно предшествовать началу процесса эрозии. Это условие было выполнено в сообщенных выше результатах исследования.
Рис. 5. Распределение энергии импульсов в изоляции на основе слюдяной бумаги и стеклоткани:
1 - изоляция без дефектов, исходное состояние; 2 - изоляция с искусственными расслоениями, исходное состояние; 3 - изоляция с искусственными расслоениями, после 2000 ч старения, эрозия
Рис. 6. Распределение частоты отдельных разрядов в изоляции из полиэфирной пленки и слюдяной бумаги в исходном состоянии (1), после 10 (2) и 20 ч (3) старения при напряженности поля 12 кВ/мм (время старения пересчитано к частоте 50 Гц)
Система полиэфирная пленка — стеклоткань.
С учетом необходимости экономии слюдяного сырья, были проведены исследования по новой конструкции системы изоляции. Система полиэфирная пленка — стеклоткань является одним из примеров такой новой конструкции. При использовании таких компонентов в системе изоляции кривая значений заряда при ЧР также имела затухающий характер. Процесс эрозии не отмечен. Однако в этом случае возможно возникновение другого явления, ведущего к разрушению изоляции. Если эмиссия электронов из источника разрядов не прекратится в силу отсутствия в системе слюдяных барьеров и отсутствия фактора, предотвращающего увеличения проводимости материала, в конце концов происходит пробой материала без предварительного процесса эрозии. Между временем до пробоя, значением кажущегося заряда и энергией разряда существует определенная корреляция, позволяющая предсказать поведение систем при длительном воздействии электрического поля. Наряду с этим представляется возможным установить допустимое значение интенсивности разрядов, не угрожающее пробоем изоляционной системы.
Выводы.
- В многослойной изоляционной системе электрических машин высокого напряжения в зависимости от конструкции системы и электрической нагрузки в присутствии ЧР могут возникнуть два механизма пробоя изоляции: эрозия, которая развивается в изоляции типа слюдяная бумага — эпоксидная смола — стеклоткань при превышении определенного значения электрической нагрузки, и электрическая проводимость, которая может возникать в системах, не содержащих слюду под действием электронной эмиссии из источника разрядов и которому не предшествует эрозия материала.
- Применение полиэфирной пленки в изоляционной системе, не содержащей слюдяную бумагу, затрудняет возникновение ЧР и в определенном интервале значений электрической нагрузки — эрозию материала.
- Применение метода измерений ЧР и анализа максимального значения импульсов позволяет лучше понять механизм действия ЧР и облегчает прогнозирование поведения изоляционных систем.
Список литературы
- Hyder D. М., Wood J. W., Hogg W. К. The deterioration of mica under the action of electrical discharges. — IEEE Trans., 1975, vol. PAS-94, N 3.
- Greenahield J., Hogg W. K. Surface discharge studies in epoxy resins used as insulation in HV electrical machines. Symp. on HV, Zurich, 1975.
- Wichmann A. Accelerated voltage endurance testing of micaceous insulation systems for large turbogenerators under combined stresses. - IEEE Trans., 1977, vol. PAS-96, N 1.
- Fiorkowska B.'Partial discharges in insulating systems of HV machines. III. Symp. on partial discharges in electrical insulation systems. Academy of Mining and Metall, Krakow, 1979.
- Lechowski Z. Polyester foil under partial discharges. - Energetyka, 1980, N 5.
