В дополнение к отмеченным выше испытаниям на пробой проводилось определение следующих параметров: tgδ и ∆tgδ, емкости и приращения емкости, максимального тока разряда, суммарного (интегрального) заряда, энергии разрядов, напряжения начала ЧР. Измерения осуществлялись с помощью трех приборов: моста Шеринга, емкостного моста и моста для измерения ЧР.
tg δ и емкость изоляции определялись на мосте Шеринга при напряжениях ниже уровня начала ЧР. Значение tgδ определялось ступенями через каждые 2,8 кВ начиная с напряжения 2,8 до 19,6 кВ. Под величиной приращения tgδ (∆tgδ) при данном уровне напряжения в докладе понимается общее увеличение значения tgδ от значения, определенного при напряжении 2,8 кВ, до значения, полученного при соответствующем другом напряжении.
Для определения интегрального значения кажущегося заряда за полупериод и энергии, рассеиваемой при ЧР, был применен емкостной мост. О целесообразности использования такого прибора для диагностических измерений параметров изоляции электрических машин сообщалось в ранее выполненных работах [1,2].
Суммарную энергию разрядов за один период можно выразить через ∆tgδ.
Программа испытаний предусматривала проведение длительных испытаний трех групп образцов:
Одним из наиболее важных достоинств емкостного моста является то, что он позволяет поручить информацию об объемной доле пустот в твердой изоляции. Значению объемной доли пустот в твердой изоляции уделено большое внимание в [3,4].
При разряде в данной полости происходит смешение заряда, что ведет к увеличению емкости. В идеализированном случае увеличение емкости Δ С можно определить по выражению
а объемное содержание пустот записать в виде уравнения
где С — емкость в отсутствие разрядов; е — диэлектрическая проницаемость твердого материала.
Результаты испытаний. Наиболее важные и типичные из полученных результатов приведены на рис. 5—9.
Значения ∆tgδ, суммарный заряд, емкость изоляции определяли при температуре 70°С и напряжении 14 кВ. Значения начального напряжения ЧР измерялись при 70°С, а пробивного напряжения изоляции — при 20°С.
Рис. 5. Зависимость приращения tgδ от времени старения:
1 — старение при 50 Гц, 7 кВ/мм; 2 - то же при 500 Гц, 7 кВ/мм; 3 - то же при 500 Гц, 5,5 кВ/мм
Рис. 6. Зависимость интенсивности ЧР в течение полупериода от времени старения: 1-3 - см. рис. 5
Рис. 7. Зависимость относительного приращения емкости от времени старения (измерения проводились на емкостном измерительном мосте при 70°С, 19,6 кВ, 50 Гц): 1—3 - см. рис. 5
Рис. 8. Зависимость напряжения начала ЧР от времени старения (измерения проводились при 70°С, 50 Гц): 1-3 — см. рис. 5
Емкость образцов также определялась при напряжении ниже уровня напряжения начала ЧР, а именно 2,8 кВ. Значение емкости убывает во времени, что говорит об увеличении объемного содержания пустот в твердой изоляции. Подобная тенденция прослеживается в результатах всех трех серий испытаний.
Наиболее заметной особенностью кривых на рис. 5—7 является схожесть характера изменения Δ tg δ, Q и ΔС/С во времени. Этого следовало ожидать, поскольку все три рассматриваемых параметра связаны с ЧР. Величина ∆tgδ служит показателем потерь, вызванных ЧР, Q представляет собой суммарный (интегральный) заряд за половину периода (интенсивность), а ∆С/С — изменение емкости, обусловленное разрядами.
Другой характерной особенностью кривых на рис. 5-7 является большая схожесть характера изменения параметров во всех трех группах в течение первых 800 ч испытания. Зависимость этих параметров от напряженности электрического поля выражена гораздо сильнее, чем зависимость их от частоты. Однако после первых 800 ч характер изменения параметров двух групп, испытывавшихся на частоте 500 Гц, становится одинаковым и появляется отличие от группы, испытывавшейся на частоте 50 Гц.
Кривые на рис. 9 свидетельствуют, что снижение кратковременной электрической прочности во всех трех группах в течение первых 500— 800 ч носит аналогичный характер. Совершенно явно видно, что это уменьшение электрической прочности изоляции тесно связано со снижением напряжения начала частичных разрядов. На рис. 9 также четко просматривается эффект ускорения процесса старения под воздействием повышенной частоты после первых 800 ч испытаний. Важно также отметить, что поведение образцов, испытывавшихся на частоте 500 Гц, начинает отличаться от поведения образцов, испытывавшихся на частоте 50 Гц, одновременно по всем параметрам в одно и то же время, а именно после 800 ч испытаний.
Объяснить это можно следующим образом. В первые часы после приложения высокого напряжения в пустотах и полостях изоляции происходят весьма интенсивные разряды. Представляется, что для характера будущего развития процесса на этой стадии более важным является факт разряда в пустоте или полости, чем количество таких разрядов в одной и той же полости за секунду. Возникновение разряда в полости будет вести, как видно из рис. 5 и 6, к увеличению tgδ и кажущегося заряда. Перемещение заряда, вызванное ЧР, ведет также к увеличению емкости, что видно из рис. 7.
Рис. 9. Зависимость пробивного напряжения изоляции от времени старения (измерения проводились при 20°С, 50 Гц, с плавным увеличением приложенного напряжения):
1-3 - см. рис. 5
Действие зарядов внутри полости ведет к выжиганию микровыступов твердого вещества и, следовательно, к увеличению общего объема пустот. Это, вместе с деятельностью самих разрядов, вызывает перераспределение напряжения внутри диэлектрика и ведет к возникновению разрядов в еще большем количестве пустот.
Одновременно с расширением активного объема пустот, обусловленного разрядами, энергия разрядов, преобразованная в теплоту, будет частично науглероживать внутренние поверхности пустот. Это вызовет увеличение проводимости по стенкам пустот и может привести к прекращению ЧР в такой полости. Чем дальше идет этот процесс науглероживания, тем больше снижается активность ЧР. Такое падение активности ЧР после 800 ч испытания четко видно на рис. 5-7.
Полученные результаты также показывают, что группы образцов, испытывавшиеся, на частоте 500 Гц, быстрее выходят на максимум активности ЧР, чем группа, испытывавшаяся на частоте 50 Гц, и, равным образом, падение интенсивности ЧР тоже происходит быстрее у образцов, которые испытывались на частоте 500 Гц.
Из сказанного следует сделать заключение, что процесс науглероживания идет быстрее на частоте 500 Гц, что можно объяснить различием в теплопередаче из внутреннего объема полости в окружающую среду при этих испытаниях.
Увеличение активного объема пустот будет вести к уменьшению обшей емкости, определенной при напряжении, меньшем напряжения начала ЧР. Это, как уже отмечалось ранее, тоже согласуется с результатами измерений.
Температура внутри диэлектрика при испытаниях на частоте 500 Гц будет выше, чем при испытаниях на частоте 50 Гц. В основном это обусловлено более высокими диэлектрическими потерями на высоких частотах. Однако в местах возникновения разрядов возможно и дополнительное повышение температуры переходного характера, поскольку на частоте 500 Гц за половину периода происходит большее количество разрядов, чем на частоте 50 Гц. Это справедливо для напряжений, значительно превышающих напряжение начала ЧР.
В ранее выполненных работах было показано, что постоянная времени процесса переноса теплоты из полости в эпоксидном материале после освобождения энергии примерно равна продолжительности полупериода на частоте 500 Гц [5]. Этого времени вполне достаточно для того, чтобы большая часть теплоты, выделившейся в полости за половину периода на частоте 50 Гц, была бы отведена от стенок полости, в то время как теплота, выделившаяся в полости на частоте 500 Гц, не будет отведена полностью от ее стенок до начала разрядов в ходе следующего полупериода. Это ведет к накоплению теплоты и, следовательно, к возникновению более высоких температур внутри полости на частоте 500 Гц, чем на частоте 50 Гц, что ускоряет науглероживание стенок пустот в диэлектрике и ведет к результатам, представленным на рис. 5—7.
По истечении некоторого времени количество разрядов за полупериод, вероятно, снижается, и это дополнительное переходное повышение температуры на частоте 500 Гц становится не столь важным.
Микроскопическими исследованиями изоляции образцов всех трех групп установлено наличие темно-коричневых науглероженных стенок полостей в эпоксидной фазе. Изменений в слюде не отмечено. На образцах, подвергавшихся испытаниям на старение в течение 800 ч, с помощью оптического стереомикроскопа можно видеть влияние частоты на результаты испытаний. В образцах, испытывавшихся на частоте 500 Гц, коричневый цвет имеет более темный оттенок, а зона окраски материала простирается на большее расстояние, чем в образцах, испытывавшихся на частоте 50 Гц.
После окончания процесса описанных выше начальных изменений в изоляции каких-либо значительных изменений в значении напряжения начала ЧР разрядов, как видно из рис. 8, не происходит. ЧР будут по-прежнему медленно разрушать изоляцию. Поскольку за один и тот же период времени количество разрядов, приходящееся на полупериод, будет в 10 раз выше на частоте 500 Гц, чем на частоте 50 Гц, то с этого момента повышение частоты будет вести к ускорению процесса старения изоляции.
Выводы. Приведенные результаты позволяют сделать следующие выводы:
на первом этапе старения слюдяной изоляции происходит увеличение количества и размеров пустот в изоляции. На этом начальном этапе наиболее важным параметром является напряженность электрического поля;
через несколько сот часов в связи с изменением проводимости стенок пустот интенсивность ЧР уменьшается. Этот процесс идет более быстро на повышенной частоте;
в начальный период наблюдается быстрое снижение значения напряжения начала ЧР;
в начальный период происходит значительное снижение кратковременной электрической прочности изоляции, что находится в явной связи с уменьшением порогового значения напряжения начала ЧР;
с момента относительной стабилизации значения напряжения начала ЧР (в нашем эксперименте — через 800 ч) скорость процесса старения будет зависеть от частоты;
интегрирующий емкостной мост является полезным прибором для диагностических испытаний систем изоляции в тех случаях, когда ЧР играют значительную роль в процессе старения;
значения параметров, измеренные мостом Шеринга и емкостным мостом, хорошо согласуются между собой;
выбору параметра, по которому производится ускорение процесса старения, необходимо уделять самое большое внимание.
Для дальнейшего уяснения процессов, происходящих на начальном этапе старения, необходимы дополнительные исследования с большим количеством комбинаций таких параметров, как напряжение и частота. Особо следует подчеркнуть необходимость исследования характера изменения параметров изоляции в первые 1000 ч с гораздо меньшими интервалами между измерениями, чем это было сделано в данной работе.
Список литературы
- Dakin Т. W., Malinaric Р. J. A capacitance bridge method for measuring integrated corona-charge transfer and power loss per cycle. — Trans. AIEE, 1960, vol. PAS-79, p. 648-653.
- Nicdaysen F., Andresen S. K. Integrated discharge detector for quality control of mica-filled insulation, Report 19, Nord-Is 78, Vasa, June 1978.
- Dakin T. W. The relation of capacitance increase with high voltages to internal electric discharges and discharging void volume. - Trans. AIEE, 1969, vol. PAS-78, p. 790-795.
- Hirabayashi S. e. a. Estimation of the size of voids in coil insulation of rotating machine. - Trans. IEEE, vol. El-9, N 4,1974, p. 129-136.
- Kristiansen K. ELAB report no STF 44-A74147.The Norwegian Institute of Technology, Aug. 1974 (in Norwegian).
