Что такое кратковременная прочность изоляции

5.3.Кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции

перенапряжения и непродолжительные повышения рабо­чего напряжения. Многократные воздействия перенапряжений не должны вызывать не только сквозной пробой изоляции, но и по­вреждения местного характера, которые затем, могут ускоренно развиваться под действием рабочего напряжения и привести к преж­девременному выходу изоляции из строя.

Механизм пробоя внутренней изоляции, состоящей из комбинации нескольких диэлектриков, при кратковременном приложении напряжения весьма, сложен. Он может быть различным в зависимости от длительности воздействия напряжения, от свойств отдельных диэлектриков и распределения этих диэлектриков по объему изоляции, а также в зависимости от температурных условий и конфигурации электрического поля. Для внутренней изоляции, как и для отдельных диэлектриков, различают два вида пробоя: электрический и тепловой. При электрическом пробое образование и быстрое размножение подвижных заряженных частиц в изоляции происходит непосредственно под действием сильного электрического поля. В случае теплового пробоя электрическое поле обусловливает сильный разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до теплового разрушения, которое сопровождается переходом в состояние, повышенной проводимости.

5.4.Методы испытания изоляции

При серийном производстве и массовом применении оборудования высокого напряжения имеется некоторая вероятность появления в изоляции дефектов из-за разного рода ошибок в процессе изготовления, транспортировки, монтажа или во время эксплуата­ции, а также вследствие неучтенных внешних воздействий. Чтобы существенно снизить вероятность аварийного повреждения изоля­ции, используется система контроля качества изоляционных кон­струкций путем различных испытаний.

Действующая в настоящее время система контрольных испытаний включает в себя следующие этапы. Новая изоляционная конструк­ция до передачи ее в производство проходит государственные, меж­ведомственные или другие испытания, во время которых всесторонне проверяется ее пригодность к работе в заданных условиях. Готовые изоляционные конструкции, предназначенные для работы в установ­ках высокого напряжения, подвергаются приемо-сдаточным испыта­ниям на заводе-изготовителе, а затем на месте эксплуатации после выполнения монтажа и других подготовительных работ. В процессе эксплуатации состояние изоляции периодически контролируется при послеремонтных и профилактических испытаниях. С помощью последних выявляется не только изоляция со случайно возникшими дефектами, но также и изоляция, состарившаяся естественным путем в результате длительной работы. Объем, методы и нормы испыта­ний устанавливаются соответствующими стандартами, техническими условиями и Правилами технической эксплуатации электроустано­вок.

Используемые при всех видах испытаний методы можно классифи­цировать следующим образом;

испытания повышенным напряжением с пробоем дефектной изоляции;

испытания при рабочем или повышенном напряжении с малой вероятностью пробоя — измерения и характеристик ЧР при напряжениях, близких к рабочему; неразрушающие методы — измерения, сопротивления утечки емкостных характеристик при низких напряжениях; неэлектрические методы контроля. Разные методы контроля изоляции по-разному выявляют различ­ные по характеру дефекты. Последние обычно условно подразде­ляют на две группы: сосредоточенные и распределенные. К первым относятся дефекты малых размеров, например проколы, трещины, газовые включения; ко вторым — дефекты, охватывающие значи­тельные объемы изоляции, например увлажнения или загрязнения.

Изоляция электрических установок в условиях эксплуатации подвергается воздействию рабочего напряжения, внутренних и грозовых перенапряжений. Способность изоляции выдерживать перенапряжения проверяется путем испытания ее электрической прочности соответственно напряжением промышленной частоты (50 Гц) и импульсным напряжением.

Учитывая различную зависимость электрической прочности изоляции от атмосферных условий, а также влияние других факто­ров, испытательные напряжения нормируются отдельно для внут­ренней и для внешней изоляции.

Импульсные испытательные напряжения установлены для коор­динации электрической прочности изоляции электрооборудования с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями, ограни­ченными защитными разрядниками. Испытания проводятся стандартными импульсами 1,2 / 50 мкс (полными импульсами), а также импульсами, срезанными при предразрядном времени 2—3 мкс (срезанными импульсами).

Импульсные испытательные напряжения электрооборудования, установленные ГОСТ приведены в табл.9. Испыта­тельные напряжения внешней изоляции, указанные в табл. 9, приведены к нормальным атмосферным условиям. При отклонении условий испытания от нормальных необходимо внести поправки в значения испытательных напряжений.

Испытательные напряжения промышленной частоты (см. табл. 10) установлены с целью координации электрической прочности изоляции электрооборудования с воздействующими на нее внутренними перенапряжениями.

Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц), установленные ГОСТ, приведены в табл. 10.

Испытательные действующие напряжения промышленной частоты (50Гц) для электрооборудования с нормальной изоляцией, кВ

Силовые электрические конденсаторы — Кратковременная электрическая прочность

Кратковременная электрическая прочность Епр конденсаторного диэлектрика количественно оценивается отношением пробивного напряжения Uпр к расчетной толщине диэлектрика т. е. напряженностью электрического поля: Епр=Uпр\dс. Она зависит от многих факторов: толщины диэлектрика, площади обкладок, температуры, частоты, формы воздействующего напряжения. На рис. 8.1 приведена экспериментальная зависимость Епр от толщины изоляции. При определенной (оптимальной) толщине в ней наблюдается максимум Епр. Снижение Епр при d>dстах обусловлено увеличением искажения поля на краю обкладки с ростом толщины изоляции, а при dс40 мкм этого преимущества не наблюдается. С увеличением плотности у бумаги ее электрическая прочность увеличивается.
В пропитанном бумажном диэлектрике электрическая прочность его компонентов — клетчатки и пропитывающей жидкости— различна, и поэтому изменение соотношения их толщин может менять характер пробоя диэлектрика. При некотором соотношении толщин слоев клетчатки dх0 и ЖИДКОСТИ ОНИ будут равнопрочными, и повышение напряжения до пробивного сразу приведет к полному пробою. При dх > dПР диэлектрика определяется электрической прочностью клетчатки, и пробой носит последовательный характер: вначале наступает пробой жидкости, в результате чего возникают критические частичные разряды, и только при дальнейшем повышении напряжения наступает полный пробой. При соотношении толщин, когда dпр диэлектрика определяется электрической прочностью пропитывающей жидкости, также сразу наступает полный пробой.

Рис. 8.1. Зависимость Е11р от dС бумажного диэлектрика (бумага КОН-1 толщиной 10 мкм) при постоянном (1) и переменном (2) напряжении (амплитудные значения), пропитка — трихлордифенил
Рис. 8.2. Зависимость от толщины листа

В реальном конденсаторном диэлектрике толщина слоя жидкости зависит и от коэффициента запрессовки к, однако Епр диэлектрика практически не изменяется с изменением к, хотя расчетная пробивная напряженность, определенная по формуле (2.3), изменяется значительно. Последняя, являясь условной величиной, в свете изложенного механизма пробоя, основанного на теории последовательного пробоя, не отражает истинной картины явления и не может служить критерием для оценки электрической прочности диэлектрика. Электрическая прочность секции, рассчитанная по прочности клетчатки, при различных коэффициентах запрессовки остается практически неизменной. Это показывает, что электрическая прочность секции в первую очередь определяется электрической прочностью ее твердой фазы. Однако и свойства пропитывающей жидкости также оказывают на нее определенное влияние. Исследования показывают, что при ех Применение синтетической пленки в качестве компонента конденсаторного диэлектрика значительно повышает его электрическую прочность и снижает разброс. Это объясняется большей по сравнению с бумагой однородностью пленок и большей их электрической прочностью, превышающей 300 МВ/м. Максимум в кривой Епр=f(dс) в диэлектрике с синтетической пленкой сдвигается в область малых толщин, как это видно из рис. 8.3.

Характер зависимости ЕпР практически одинаков как для постоянного, так и для переменного напряжения. Значение Епр при постоянном напряжении примерно вдвое выше действующего значения Епр при переменном напряжении промышленной частоты. Объясняется эго тем, что на переменном напряжении в предпробивной период возникают частичные разряды. Они появляются при напряжениях, более низких, чем пробивное, их интенсивность возрастает с увеличением напряжения, что приводит к частичному разрушению твердой фазы еще до наступления пробоя. Различие в характеристиках частичных разрядов объясняет некоторую разницу в значениях Епр при переменном напряжении при пропитке диэлектрика различными жидкостями. Влияние характеристик жидкости на Епр пленочного и бумажно-пленочного диэлектрика зависит ОТ соотношения Егж И
В диапазоне рабочих температур силовых конденсаторов значение Епр их изоляции несколько изменяется с изменением температуры. Для бумажно-масляного диэлектрика Еар независимо от рода напряжения линейно зависит от температуры: снижается во всем рабочем диапазоне температур от —60 до +80° С. Для бумажного диэлектрика, пропитанного полярными жидкостями, зависимость Епр от температуры в области до дипольного максимума 5 также имеет линейный характер: понижается с повышением температуры. Электрическая прочность такого диэлектрика при температурах, соответствующих зоне дипольного максимума, исследована недостаточно. По- видимому, в этом диапазоне следует ожидать снижения Епр, так как характеристики частичных разрядов здесь существенно ухудшаются. Кратковременная электрическая прочность пленочного диэлектрика также несколько снижается с повышением температуры. С повышением частоты воздействующего напряжения кратковременная электрическая прочность бумажной изоляции снижается, как это показано на рис. 8.4. Такой ход зависимости можно объяснить влиянием частичных разрядов в предпробивной период, интенсивность которых при прочих равных условиях увеличивается с ростом частоты.
При воздействии несинусоидального напряжения электрическая прочность Епр обычно определяется как отношение действующего значения пробивного несинусоидального напряжения к толщине диэлектрика. Однако определенная таким образом Епр не всегда правильно характеризует электрическую прочность изоляции, так как на ее значение существенное влияние может оказывать амплитудное значение напряжения. Форма напряжения зависит от гармонических составляющих и их начальных фаз.

Рис. 8.3. Зависимость Епр бумажного (1) и бумажно-пленочного (2) диэлектриков от dc (действующее значения). Содержание пленки — 50%, пропитка — трихлордифенил
Рис. 8.4. Зависимость Евр бумажно-масляного диэлектрика от частоты
Изменением начальных фаз гармоник можно изменять форму напряжения, т. е. изменять ее наибольшее мгновенное значение или амплитуду без изменения действующего значения. Наличие пиков в несинусоидальной кривой может влиять на длительную электрическую прочность. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании конденсаторов для работы при несинусоидальном напряжении.
Уровень кратковременной электрической прочности при воздействии импульсного напряжения может быть различным. При одиночном кратковременном униполярном импульсе Епр будет больше, чем при постоянном напряжении. Повышение частоты следования импульсов снижает Епр вследствие эрозии диэлектрика частичными разрядами. Значение Епр при импульсном напряжении должно определяться в каждом конкретном случае.

Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций — Кратковременная и длительная электрическая прочность полиолефинов

Полиолефины и другие полимерные материалы.
Во многих работах, посвященных изучению природы откатов полимерной изоляции при кратковременных и длительных воздействиях электрического поля, важное место отводится исходным дефектам материала, обусловленным несовершенством технологии их производства.
Процесс старения полимеров сопровождается одновременно протекающими физико-химическими превращениями: деструкцией, структурированием, ориентацией, рекристаллизацией и др. Окисление полиолефинов имеет нелинейную связь скорости реакции накопления пероксидных соединений со скоростью образования активных центров. Поэтому уравнение Аррениуса является условным, характеризующим только температурное влияние на процесс старения.
В качестве дефектов, ответственных на развитие процессов разрушения твердых полимеров в электрическом поле, чаще всего рассматриваются места с локальным усилением напряженности электрического поля, например около электродов и неоднородностей и объеме диэлектрика, или места с пониженной электрической прочностью, например воздушные и газовые включения.
Работами группы В. Я. Ушакова [11] показано, что в ряде случаев канал пробоя может не проходить через исходные неоднородности, даже если они образуют цепочки, пересекающие весь межэлектродный промежуток.
Не столько концентрация, сколько размер этих неоднородностей, особенно находящихся в области повышенной напряженности поля, является определяющим фактором в развитии пробоя полимеров. Высокая напряженность поля на неоднородностях сама по себе также не является причиной пробоя, так как при малых размерах неоднородностей в них не развиваются частичные разряды, являющиеся основным фактором ускоренного разрушения неоднородных диэлектриков в электрическом поле.
Высокой чувствительностью начальных процессов разрушения полимеров характеризуются неоднородности структуры на молекулярном и надмолекулярном уровне. Последнее непосредственно следует из термофлюктуационной теории разрушения твердых тел.

В качестве основных факторов разрушения полимеров рассматриваются разрывы химических связей за счет термоактивационных процессов с учетом активирующего действия носителей заряда и других вторичных факторов, обусловленных воздействием сильного электрического поля.

Рис. 2.12. Зависимость времени зарождения дендритов от напряжения для фторопласта-4 (кривая 1) и полиэтилена (кривая 2)
При этом, как следует из работ группы К. Н. Кана [10], помимо тепловых и химических воздействий, существенную долю в разрушение полимеров вносят и механические нагрузки.

Кроме отмеченных причин разрушения полимеров при длительном электрическом нагружении для полиэтилена, следует отметить также влияние продолжительности существования локальных объемных зарядов, которые приводят к значительному повышению напряженности в граничных областях при инжекции электронов из электродов.
При наличии значительных полостей разрушение полимерного материала ускоряется при увеличении частоты, амплитуды и длительности приложения напряжения. Основным фактором, влияющим на степень повреждения, является кинетическая энергия электронов. Срок службы полимера обратно пропорционален средней кинетической энергии бомбардирующих электронов.
Старение литьевого полиэтилена в течение 1 мес независимо от температуры переработки (180. 280°С) приводит к 40%-ному разрушению гель-фракции, содержание которой монотонно снижается, достигая 30% через 12 мес. Одновременно происходит накопление карбонильных групп и развитие деструкционных процессов старения.
На полимерную изоляцию в процессе разрушения, помимо напряжения и температуры, влияют условия повышенной влажности, обусловливающие возникновение и развитие водных три ингов.
Механические растягивающие напряжения, приложенные перпендикулярно направлению поля, ускоряют рост дендритов, в то время как приложенные в направлении поля — оказывают малое влияние.

На рис. 2.12 приведены экспериментальные данные испытания блочных материалов ПЭ и Ф-4 толщиной 2 мм, 260 кГц между плоскими электродами, на одном из которых припаяна вольфрамовая игла с радиусом закругления 10 мкм для инициирования образования дендрита. Испытания по определению зарождения дендритов производились по ступенчатой методике с выдержкой на ступени 1 мин, величина ступени 1 кВ. Регистрация момента зарождения дендрита осуществлялись регистрацией частичного разряда при чувствительности схемы 10-13 Кл.

Рис. 2.13. Кривые распределения времени развития дендритов при Ес р= = 5 МВ/м для фторопласта-4 (кривая 1) и полиэтилена (кривая 2, логарифмически-нормальное вероятностное распределение)

Из кривых рис. 2.12 видно, что время до зарождения дендритов для фторопластовой блочной изоляции больше, чем время для полиэтиленовой, причем с уменьшением времени зарождения эта разница будет увеличиваться.
По стойкости к процессам разрушения изоляции под действием частичных разрядов (рис. 2.13) фторопласт оказывается хуже полиэтилена при большей стойкости к образованию дендритов. Объяснить это явление можно более высокой химической активностью газов, выделяемых в канале дендрита фторопласта.
Если технология изготовления монолитного фторопласта более надежно обеспечивает отсутствие микро- и макродефектов, то именно этот материал и необходимо использовать.

Техника высоких напряжений

Те́хника высо́ких напряже́ний, раздел электротехники , охватывающий изучение и применение электрических явлений, происходящих в различных средах при больших значениях электрического напряжения (1 кВ и более); совокупность электротехнических устройств (приборов, машин , систем), работающих при высоких напряжениях. Для объяснения электрофизических процессов, протекающих в средах, важным параметром наряду с напряжением является напряжённость электрического поля ; диапазон практически используемых значений напряжённости электрического поля соответственно составляет от 0,1 кВ/см и выше.

Возникновение техники высоких напряжений в 1-й половине 20 в. связано главным образом с проблемами передачи электрической энергии от мощных электрических станций в промышленные районы, нередко значительно удалённые от источников энергии . Передача больших электрических мощностей на дальние расстояния при напряжении 110–220 В практически невозможна из-за потерь в проводах , поэтому с развитием энергетики растут и рабочие (номинальные) напряжения электрических сетей . В России первая лаборатория высокого напряжения была создана в 1911 г. М. А. Шателеном при Петербургском политехническом институте. Бурное развитие высокого напряжения техники в СССР в 1920-х и 1950-х гг. связано с осуществлением плана ГОЭЛРО и созданием Единой высоковольтной сети Европейской части страны (А. А. Горев, А. Ф. Иоффе , Л. И. Сиротинский, А. А. Смуров , Б. И. Угримов, В. М. Хрущов, А. А. Чернышёв и др.).

Основной проблемой высокого напряжения техники является создание высоковольтной изоляции , имеющей минимальные конструктивные размеры и малую стоимость, но необходимый ресурс (срок годности) и высокие показатели надёжности. Для этого каждая изоляционная конструкция должна обладать определёнными, достаточно высокими электрическими прочностями (длительной и кратковременной). Кратковременная электрическая прочность характеризует способность изоляции выдерживать кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в электроэнергетических системах при различных переходных процессах (например, при включении или отключении отдельных элементов системы, при коротких замыканиях и т. д.) либо при ударах молнии в линии электропередачи (ЛЭП) или другие токоведущие части. Перенапряжения первого вида называются внутренними, они обычно продолжаются сотые доли секунды. Перенапряжения второго вида называются грозовыми, их длительность не превышает сотен микросекунд.

Средняя пробивная напряжённость Е промежутка «провод – плоскость». Средняя пробивная напряжённость Е промежутка «провод – плоскость». Наиболее распространённым диэлектриком в электроэнергетических системах для проводов ЛЭП и других элементов внешней изоляции (например, опорных, проходных и подвесных изоляторов ) служит атмосферный воздух. Средняя пробивная напряжённость воздушных промежутков (отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами ) резко падает с увеличением расстояния между электродами (рис.). Это обстоятельство может положить предел увеличению рабочих напряжений воздушного ЛЭП. До недавнего времени считалось, что естественным пределом для таких высоковольтных линий является напряжение 2000 кВ. Однако последние исследования показали, что за счёт глубокого ограничения внутренних перенапряжений становится реальным уровень номинальных напряжений 3000 кВ и выше, при котором передаваемая мощность может достигать 50 ГВт. Таким образом, на ближайшую перспективу воздушные линии ультравысокого напряжения остаются предпочтительными для передачи энергии на расстояния в тысячи километров и более.

Изоляция воздушного ЛЭП состоит из воздушных промежутков между проводами, проводами и землёй, элементами опор, а также из изоляторов, с помощью которых провода подвешиваются на опорах. Величина разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от их длины, формы электродов, метеоусловий, скорости нарастания и длительности воздействия электрического напряжения. Количество и тип изоляторов выбираются по наибольшему рабочему напряжению в условиях, когда поверхность изоляторов загрязнена и увлажнена (наиболее сложные для работы внешней изоляции условия).

Внутреннюю изоляцию обмоток электрических машин и аппаратов (например, между токоведущими и заземлёнными частями) обычно изготовляют с применением комбинации различных изоляционных материалов. Наиболее распространено сочетание минерального масла и изделий из целлюлозы ( бумаги , электрокартона и др.). При конструировании изоляторов принимают меры для выравнивания электрического поля, например путём закругления краёв электродов, использования изоляционных материалов с различной диэлектрической проницаемостью, принудительного распределения напряжения по объёму изоляции. Кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции, определяемая средней пробивной напряжённостью, уменьшается при увеличении расстояния между электродами, поэтому обычно выгодно разбивать изоляцию на ряд относительно тонких слоёв. Длительная электрическая прочность изоляции определяет срок её службы при нормальных эксплуатационных условиях. Основными факторами, приводящими к постепенному ухудшению первоначальных свойств изоляции, являются механические воздействия, повышение температуры, увлажнение и загрязнение, воздействие перенапряжений. Особую роль в ухудшении свойств изоляции играют частичные разряды в образующихся в толще изоляции газовых включениях, которые могут оказаться одной из основных причин старения изоляции. В качестве внутренней изоляции всё большее применение находит сжатый газ, обладающий минимальными диэлектрическими потерями и в значительно меньшей степени подверженный старению. Наиболее перспективным изоляционным газом является элегаз (гексафторид серы SF6), электрическая прочность которого при атмосферном давлении приблизительно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. При давлении в несколько десятых мегапаскаля кратковременная электрическая прочность элегаза не ниже, чем у таких традиционных диэлектриков, как фарфор и трансформаторное масло. Созданы комплектные распределительные устройства и высоковольтное коммутационное оборудование с заполнением элегазом при давлении 0,3–0,4 МПа.

Требования к внутренней изоляции определяются уровнем воздействующих на неё грозовых и внутренних перенапряжений. При использовании ограничителей перенапряжений (вентильных разрядников и др.) уровень перенапряжений по отношению к номинальному напряжению устанавливается равным 3,0 для электроустановок с номинальным напряжением 220 кВ и снижается до 1,8 для установок с напряжением 1150 кВ.

Одним из направлений высокого напряжения техники является исследование коронного разряда на проводах воздушного ЛЭП, который сопровождается потерями энергии и высокочастотным излучением, создающим помехи радиоприёму вблизи линии. Потери на корону и радиопомехи снижаются с уменьшением напряжённости электрического поля у поверхности проводов, что достигается увеличением диаметра провода. С этой же целью на линиях сверхвысокого напряжения – от 330 до 1150 кВ – вместо одиночных применяют т. н. расщеплённые провода, состоящие соответственно из 2–8 отдельных проводников, находящихся друг от друга на расстоянии не менее 40 см.

Другое направление высокого напряжения техники связано с применением высоких напряжений (или сильных электрических полей) для различных технологических целей (например, плазмохимическая технология на основе наносекундного коронного разряда, магнитно-импульсная и электронно-ионная технологии). Так, зарядка материальных частиц (контактным способом или в поле коронного разряда) и управление движением заряженных частиц с помощью сильного электрического поля используются в электрофильтрах для очистки дымовых газов от золы, в устройствах для нанесения полимерных покрытий и электрокраски, в электростатических сепараторах для обогащения полезных ископаемых и в устройствах электростатической печати.

Важный раздел высокого напряжения техники – разработка установок высокого напряжения, предназначенных для испытания изоляции и других целей. В качестве источника переменного напряжения промышленной частоты (50 Гц) служат испытательные трансформаторы , обеспечивающие напряжение порядка 750–1000 кВ; более высоких испытательных напряжений (до 3000 кВ и более) достигают при каскадном включении нескольких таких трансформаторов. Высокое постоянное напряжение (до 6000 кВ) обычно получают с помощью последовательно соединённых выпрямителей, выполненных на основе высоковольтных полупроводниковых диодов . Для имитации грозовых перенапряжений разработаны генераторы импульсных напряжений, генерирующие импульсы напряжения с амплитудой до 10 МВ. Ёмкостные накопители энергии, позволяющие получать токи до нескольких миллионов ампер, используются в различных электрофизических и технологических установках (например, для получения высокотемпературной плазмы , при магнитно-импульсной обработке металлов, в установках, работающих на электрогидравлическом эффекте, в контурах накачки лазеров), а также для испытания оборудования на молниестойкость.

Опубликовано 15 марта 2023 г. в 23:42 (GMT+3). Последнее обновление 17 июля 2023 г. в 11:01 (GMT+3). Связаться с редакцией