Электрическая прочность твердой изоляции сухих трансформаторов
В сухих трансформаторах изоляция из твердых материалов без фиксированных воздушных промежутков может применяться в многослойных цилиндрических обмотках в качестве межслоевой, а также изоляции между обмотками. Изоляция состоит из большого числа тонких слоев бумаги, пленочных и других подобных материалов, наматываемых на обмотку. В этих трансформаторах не применяются пропитка и заливка обмоток синтетическими смолами под вакуумом, и поэтому в изоляции всегда имеются воздушные включения. Их расположение и количество в толще твердой изоляции случайно; оно зависит от свойств и качества материала, а также от конструкции обмоток и технологии намотки слоев изоляции.
Относительная диэлектрическая проницаемость твердых изоляционных материалов в 2-6 раз больше, чем воздуха, и, соответственно, во столько же раз больше напряженность в воздушных включениях. В то же время электрическая прочность твердых материалов во много раз выше, чем воздуха. Поэтому повреждения изоляции начинаются с воздушных включений. При напряженности около 3 кВ/мм начинается ионизация воздуха, и возникают частичные разряды.
Рис. 1. Конструкция моделей твердой изоляции между слоями и между обмотками. 1 - бумажно-бакелитовый цилиндр, 2 - внутренний слой, 3 — наружный слой, 4 — отводы, 5- изоляция, 6 - бортики
Рис. 2. Зависимость коэффициента неоднородности К от соотношения радиуса закругления края слоя (обмотки) и расстояния между слоями (обмотками) r/S
Основные исследования электрической прочности твердой изоляции проводились на моделях главной изоляции между обмотками и межслоевой изоляции (рис. 1). Наибольшие напряженности в них имеют место на краю обмоток или слоев и зависят от соотношения радиуса закругления края г и расстояния между обмотками (слоями) S. На рис. 2 показана зависимость коэффициента неоднородности К от г / S.
В испытанных моделях коэффициент К был в пределах от 1,2 до 3,6. Эти значения получены без учета повышения напряженности в воздушных включениях, объем которых мал по сравнению с объемом твердой изоляции и практически не влияет на распределение поля в последней.
Большой диапазон диэлектрических проницаемостей и коэффициентов неоднородности поля показывают, что соотношение максимальной напряженности в воздушных включениях, при которой возникают частичные разряды, и средней напряженности в изоляционном промежутке моделей варьировалось в широких пределах. Это означает, что частичные разряды могут возникать при разных значениях средних напряженностей.
С другой стороны, можно предполагать, что усиление поля в воздушных включениях не так велико, как это следует из соотношения диэлектрических проницаемостей (ε) твердой изоляции и воздуха: малые размеры воздушных включений не могут вызвать сильных искажений поля, и влияние ε на среднюю напряженность зажигания частичного разряда уменьшается.
По испытаниям моделей значения средних напряженностей поля, при которых возникали частичные разряды, находятся в пределах от 0,8 до 3,3 кВ/мм. Расчет соответствующих максимальных напряженностей показывает, что они лежат в значительно более узких пределах — от 1,7 до 3,3 кВ/мм. Поскольку эти значения рассчитаны по коэффициентам неоднородности и не учитывают усиления поля в воздушных включениях, можно считать, что они хорошо согласуются с напряженностью ионизации воздуха.
Интенсивность начальных частичных разрядов невелика — кажущийся заряду порядка 10-11 Кл. При повышении напряжения уровень частичных разрядов увеличивается, и перед пробоем q = (10-8... 10-7) Кл.
Пробивные напряженности межслоевой изоляции толщиной до 2 мм (средние по толщине) Е при одноминутном напряжении для разных материалов лежат в пределах от 10 до 15 кВ/мм, хотя разница в прочности самих материалов (одного слоя) значительно больше — от 10 до 50 кВ/мм. Это объясняется тем, что энергии частичного разряда с q> 10-8 Кл достаточно для повреждения твердых материалов почти независимо от их собственной прочности.
В моделях главной изоляции при расстоянии между электродами от 4 до 9 мм напряженность Епр снижалась до 5—10 кВ/мм. Снижение прочности вызвано увеличением неоднородности поля при увеличении расстояния. Разница максимальных значений пробивных напряженностей разных моделей значительно меньше — межслоевой изоляции от 12 до 16 кВ/мм и главной изоляции от 16 до 19 кВ/мм.
Модели межслоевой изоляции из арамидных материалов выдерживались при напряженностях от 30 до 90% пробивной напряженности (при одноминутном напряжении) Епр ишн до повреждения или полного пробоя. Длительность воздействия до повреждения при этом составляла от нескольких минут до 100 ч.
Рис. 3. Зависимость между напряженностью повреждения и временем воздействия
При разборке во всех моделях были обнаружены точечные следы частичного разряда в слоях материала, а также следы старения — изменение цвета материала моделей, подвергшихся воздействию длительностью более 1 ч. В результате получена зависимость между средней в изоляции напряженностью повреждения Е, выраженной в процентах от Епр UmH, и временем воздействия, показанная на рис. 3. Очевидно, при уменьшении напряженности уровень и энергия частичного разряда снижаются, и для повреждения твердого материала требуется большее время.
На таких же моделях было исследовано изменение прочности при одновременном длительном воздействии напряжения и температуры. Изоляция толщиной 0,75-1,45 мм выдерживалась до пробоя при напряжении 3 кВ и температуре 200°С. Длительность выдержки до пробоя составляла от 150 до 1000 ч, причем большей толщине изоляции и, следовательно, меньшей средней напряженности поля соответствовала большая длительность. Средняя напряженность во всех моделях была ниже 20% пробивной одноминутной напряженности.
Часть моделей была выдержана при этих условиях без доведения до пробоя, и для них была определена прочность при одноминутном воздействии. Снижения прочности вследствие старения изоляции не произошло.
Аналогичные результаты были получены фирмой «Du Pont» для арамидной бумаги и картона марки «Номекс», выпускаемых этой фирмой.
Проведенные исследования позволили установить следующие основные закономерности, определяющие электрическую прочность изоляции из твердых материалов:
- Начальные частичные разряды (уровень порядка 10-11 Кл) возникают в воздушных включениях, когда напряженность в последних достигает напряженности ионизации воздуха. При этом средняя напряженность в межслоевой изоляции практически не зависит от изоляционного материала.
- При уровне частичных разрядов выше 10-10 Кл в слоях твердой изоляции могут появляться точечные следы повреждения, переходящие в полный пробой при повышении напряжения или длительности воздействия.
- При длительности напряжения 50 Гц 1 мин точечные следы не возникают, а при повышении напряжения происходит полный пробой.
- Критерием, определяющим электрическую прочность в слабонеоднородных полях (К<6), является максимальная напряженность поля в изоляционном промежутке.
Допустимые максимальные напряженности главной изоляции между обмотками и изоляции между слоями цилиндрических обмоток из арамидных материалов при одноминутном напряжении 50 Гц составляют (12-14) кВ/мм, при ПГИ — (23-24) кВ/мм. При рабочем напряжении средняя напряженность в твердой изоляции не должна превышать 1,6 кВ/мм. При измерении частичного разряда в этом случае средние напряженности будут около 2 кВ/мм, что достаточно для выполнения требований МЭК по уровню частичных разрядов.
