Электрической прочностью изоляции кабелей называют напряжение, при достижении которого происходит пробой изоляции. По характеру пробоя изоляции различают электрический и тепловой.
Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимают пробой в наиболее ослабленном месте изоляции, происходящий в короткие промежутки времени и обычно связанный с местным разрушением изоляции кабелей и сопровождающийся иногда ветвистыми обугленными побегами в изоляции. Электрический — ионизационный пробой происходит в воздушных включениях изоляции при достаточно высоких напряжениях в результате возникновения тихих разрядов, переходящих и электрические скользящие разряды, заканчивающиеся пробоем изоляции.
Тепловой пробой изоляции кабелей имеет место в тех случаях, когда нагрев изоляции больше отводимого тепла (например, в кабелях высокого напряжения с большой толщиной изоляции).
Рис. 2-16. Начальная напряженность ионизации в зависимости от давления (толщина бумаги у жилы Δ-0.06 мм). 1 — маслонаполненный кабель; 2 — газонаполненный кабель.
Этот вид пробоя развивается постепенно и происходит обычно в тех местах, где повышение температуры из-за роста диэлектрических потерь происходит особенно интенсивно.
Развитию теплового пробоя может способствовать повышенная температура окружающем среды Место теплового пробоя изоляции представляет радиальное отверстие с опаленной или оплавленной поверхностью без наличия в эоне пробоя ветвистых побегов.
Обычно пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вызванный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя.
Повышенная напряженность поля в газовом включении снижает электрическую прочность изоляции. Электрическая прочность газа зависит от природы газа и является функцией толщины его слоя и давления (рис. 2-15).
Начальная напряженность ионизации маслонаполненного и газонаполненного кабелей при длительном приложении переменного напряжения (50 Гц) возрастает с увеличением давления (рис. 2-16), ио электрическая прочность снижается с увеличением длительности приложения напряжения. Электрическая прочность кабельной пропитанной бумаги при кратковременном испытании на пробой переменным напряжением снижается с увеличением толщины бумаги (рис. 2-17).
Рис. 2-17. Зависимость электрической прочности пропитанной бумаги от толщины при кратковременном приложении переменного напряжения.
Для изоляции из бумаги других толщин электрическая прочность
При расчете маслонаполненного кабеля слабым местом изоляции будет пленка масла, толщину которой принимают равной толщине бумаги. Для кабеля, изолированного бумагой толщиной 0,12 мм, электрическую прочность принимают равной 11 кВ/мм.
При расчете электрической прочности изоляции принимают 4— 10-кратный запас допустимой напряженности электрического поля по сравнению с пробивной напряженностью. Такой запас электрической прочности необходим из-за возможности ухудшения качества изоляции в процессе эксплуатации, а также за счет неоднородности изоляции по качеству, наличия острых углов и выступов токопроводящих жил кабеля и др. Надежность работы кабеля в эксплуатации уменьшается с увеличением длины кабеля, так как число слабых мест пропорционально поверхности токопроводящей жилы.
Электрическая прочность изоляции зависит от рода приложенного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения. Наибольшую электрическую прочность изоляция имеет при постоянном напряжении, а наименьшую — при переменном напряжении. Под влиянием электрического и теплового полей происходит ускорение процесса старения изоляция с медленным изменением ее физико-химических свойств, приводящих к местным ослаблениям электрической прочности.
Кривые зависимости пробивной напряженности от времени приложения напряжения называют кривыми жизни кабеля. Зависимость электрической прочности изоляции кабелей от времени нахождения под напряжением выражается уравнением
Рис. 2-18. Кривая жизни 10-кВ кабеля с полиэтиленовой изоляцией.
(при правильно подобранном значении т), имеет вид прямой линии. Пересечение этой прямой линии с осью ординат дает предельное значение электрической прочности при бесконечно длительном приложении напряжения, равное для маслонаполненного кабеля низкого давления 40 кВ/мм, для газонаполненного кабеля высокого давления 20 кВ/мм и для кабеля с вязкой пропиткой 12 кВ/мм.
На рис. 2-18 приведена экспериментальная зависимость напряженности поля при пробое кабеля с полиэтиленовой изоляцией (Δ=10 мм), подвергавшегося циклическому нагреву. Через 40 лет нахождения образца под напряжением пробивная напряженность снижается до 9 кВ/мм. При частоте в несколько мегагерц прочность полиэтиленовой изоляции снижается до 7—8 кВ/мм, а при 80 Мгц — до 3—4 кВ/мм. На рис. 2-19 приведена зависимость электрической прочности кабеля с полихлорвиниловой изоляцией от времени.
Кратковременная электрическая прочность полиэтиленовой и полихлорвиниловой изоляции снижается с увеличением радиуса провода:
Рис. 2-19. Зависимость электрической прочности кабеля с изоляцией из полихлорвинилового пластиката от времени (по Гассеру и Хельду).
Рис. 2-22. Зависимость напряженности поля при пробое импульсным напряжением от толщины бумаги в кабеле, а — С вязкой пропиткой; б — масло- цдцолненном.
Рис. 2-23. Зависимость импульсной прочности кабеля с полиэтиленовой изоляцией от толщины изоляции (по Пейричу).
1 — напряженность поля при пробое 79 кВ/мм; 2 — то же при 40 кВ/мм.
На рис 2-23 приведена зависимость импульсной электрической прочности при волне 1/50 мксек от толщины изоляции силового кабеля с полиэтиленовой изоляцией. Верхняя линия соответствует максимальным (70 кВ/мм), а нижняя — минимальным (40 кВ/мм) значениям напряженности при импульсных испытаниях.
На рис. 2-24 приведены кривые средней и максимальной напряженности электрического поля при пробое в зависимости от толщины изоляции и радиуса токопроводящих жил при испытании переменным, постоянным и импульсным напряжением.
Рис. 2-24. Электрическая прочность кабеля с полиэтиленовой изоляцией.
а — средняя напряженность при пробое в зависимости от толщины изоляция; б — максимальная напряженность при пробое в зависимости от радиуса токопроводящей жилы; 1 — при плавном повышении постоянного напряжения; 2 — при ступенчатом повышении постоянного напряжения; 3 — при плавном повышения переменного напряжения; 4 — при ступенчатом повышении переменного напряжения; 5 — при импульсном напряжении (волна 1/м мксек).
