Методические указания к решению задачи

Как отмечалось в методических указаниях к задаче 1. ное напряжение внутренней изоляции зависит от времени приложения напряжения. Вид этой зависимости имеет сложный характер, так как при разных временах процессы визоляции, приводяцие кпробою, имеют различную физическую природу. Следует отметить, что при любом значении времени пробивное напряжение - величина случайная имеющая определенное поле разброса, что объясняется природой про­цессов при пробое и наличием неконтролируемых случайных различий между однотипными изоляционными конструкциями.

Характерная форма зависимости пробивного напряжения внутрен­ней изоляции U_пр от времени приложения напряжения х показана на рис. 2. Зависимость может быть разделена на несколько участков, характерных физической природой процессов пробоя, На рис. 2 границы этих участков указаны ориентировочно и зависят от размеров, свойств и условий работы изоляции.

Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени приложения напряжения

Участок 1 зависимости - зона чисто электрического пробоя. Он охватывает диапазон порядка 10 ^-6...10 ^-2 с (от несколь­ких микросекунд до нескольких миллисекунд). Электрический пробой связан с процессом образования и увеличения числа свободных электронов, вследствие чего возникает концентрированный поток электронов и в изоляции образуется проводящий канал. В начальной области этого участка пробивное напряжение увеличивается с уменьшением х, что связано с необходимостью обеспечения определенной скорости движения электронов для возникновения пробоя. При време­нах более 10^м пробивное напряжение остается практически неизмен­ным, так как время много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не проявляются.

Участок 2 {диапазон времени 10 ^-2...10 ²- от сотых долей се­кунды до десятков секунд) характерен для изоляции с наличием жидкого диэлектрика. Здесь наблюдается снижение электрической прочности при увеличении т, что связано с образованием проводящих мостиков из примесей.

Следующий участок 3 - область теплового пробоя, который свя­зан с нарушением тепловой устойчивости изоляции. Этот участок ох­ватывает диапазон времени 10²..10 ⁴ {от десятков секунд до нес­кольких часов).

Наконец, последний участок 4 зависимости - элект­рическое старение изоляции, то есть необратимое ухудшение диэ­лектрических свойств под действием электрических полей. Процессы электрического старения могут протекать от нескольких часов до 10-15 лет и более.

Задача обеспечения длительной электрической прочности внут­ренней изоляции в процессе старения, то есть требуемого срока ее службы, является одной из наиболее сложных. Это связано с тем, что прямым экспериментом нельзя определить ход зависимости и_пр = Их) в области больших времен, так как для этого потребовались бы десятилетия. Поэтому при решении данной задачи используются косвенные методы, основанные на измерении истенсивности про­цессов, вызывающих старение.

Причиной старения внутренней изоляции могут быть воздействия различной физической природы. В основном это электрические, теп­ловые и механические нагрузки. Соответственно различают электри­ческое, тепловое и механическое старение внутренней изоляции. Кроме того, старение может быть обусловлено проникновением заг­рязнений, увлажнением изоляции.

В данной задаче контрольной работы производится расчет срока службы внутренней изоляции с учетом электрического и теплового старения.

Основной причиной электрического старения внутренней изоля­ции являются частичные разряды. Частичными разрядами называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляци­онного промежутка.

Частичные разряды возникают в ослабленных местах изоляции, например в газовых включениях или в местах резкого усиления электрического поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как в этом случае они возникают при меньших напряжениях, чем в жидких и твердых компонентах изо­ляции.

Темпы электрического старения возрастают с увеличением при­ложенного к изоляции напряжения, а сроки службы соответственно уменьшаются. При этом зависимость срока службы т от величины на­пряжения может иметь сложный характер.

Экспериментальные исследования показали, что для относитель­но небольшого времени (до 10 ³...10⁴ час) график зависимости сред­него срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения = f(U), построенный б двойном логарифмическом масштабе, то есть , имеет вид прямой линии (рис.3). Установлено также, что в области больших времен по мере снижения напряжения сроки службы увеличиваются быстрее, чем по указанной зависимости, а ни­же некоторого уровня напряжения становятся неограниченно длитель­ными, что также иллюстрируется графиком на рис.3. Этот уровень является напряжением появления в изоляции частичных разрядов.

Рис. 3. Зависимость среднего срока службы внутренней

изоляции от приложенного напряжения

Такому ходу зависимости = f(U) качественно соответствует выражение

где U_чр - напряжение появления в изоляции частичных разрядов, кВ;

А - постоянная, зависящая от свойств изоляции, в расче­тах при решении задачи 2 контрольной работы следует принять типичное для твердой изоляции при нормаль­ных условиях значение А = 6-10⁹ год/(кВ)^п;

п - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напря­жения; в большинстве видов изоляции при напряжении промышленной частоты п = 4...8, в контрольной рабо­те принять п = 6.

Как уже отмечалось, между любыми однотипными изоляционными конструкциями существуют неконтролируемые случайные различия, по­этому при заданных условиях эксплуатации срок службы изоляционной конструкции есть величина случайная и приведенное выражение да­ется среднее значение. Следует отметить, что разбросы величины срока службы изоляции относительно среднего значения могут быть значительными.

Для расчета среднего срока служба изоляции по приведенной выше формуле необходимо знать напряжение возникновения частичных разрядов U_чр. Для его определения изоляцию с газовым включением условно изобразим в виде рис. 4. На этом рисунке d - толщина слоя внутренней изоляции, - толщина газового включения, в котором могут возникать частичные разряды. Схема замещения для случая пе­ременного напряжения может быть представлена, как показано на рис. 5. где С_В - емкость газового включения, С_\Б - емкость участка изоляции, расположенного последовательно с газовым включением, С_в - емкость остальной части изоляции, ИР - искровой разрядник, ими­тирующий пробой газового включения, R -- сопротивление канала час­тичных разрядов в газовом включении.

Рис. 4. Изоляция с газовым включением

Рис. 5. Схема замещения изоляции с газовым включением

Для расчета величин С₆ и С_в можно воспользоваться формулой для емкости плоского конденсатора. Тогда получим:

;

где S_В - площадь сечения газового включения, перпендикулярного силовым линиям электричес­кого поля;

и , - относительные диэлектрические проницаемос­ти соответственно заполняющей включение среды и изоляции; Ф/м - электрическая постоянная. . .

При приложении к изоляции переменного напряжения частичные разряды будут возникать, если амплитуда напряжения на емкости С_в будет больше пробивного напряжения газового включения (разрядника ИР по схеме рис. 5) U_B!ip. Это условие соблюдается, если величина напряжения на изоляции (действующее значение) будет равна:

После подстановки выражений для емкостей С_й и С_в и упрощенийс учетом того, что , получим:

Данная формула имеет место для изоляции с однородным элект­рическим полем. Более характерным является случай с неоднородным полем во внутренней изоляции. Очевидно, что тогда наименьшая ве­личина напряжения U_чр будет, если газовое включение находится в области наибольшей напряженности электрического поля. Эта величи­на будет равна:

где К_н - коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции, равный отношению максимальной напряженности средней напряженности поля.

При._ малых размерах газовых включений, что имеет место на практике, пробивное напряжение U_внр слабо зависит от размеров включения и равно для воздуха примерно ЗО0 В.

Так как размеры газового включения и место его расположения в изоляции случайны, то для однотипных изоляционных конструкций будут иметь место значительные разбросы напряжения U_чр.

Тепловое старение изоляции есть следствие возникновения или ускорения химических реакций в диэлектрических материалах при по­вышении температуры. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие к ухуд­шению свойств изоляций в целом.

Влияние нагревания на различные изоляционные материалы раз­лично. Однако для твердых диэлектриков характерным является снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием меха­нических нагрузок и затем уже к пробою.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций. Для практики можно принять, что срок службы изоляции обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции при различных температурах будет равно:

и to - сроки службы соответственно при температурах Т₁ и Т_о; -- повышение температуры, вызывающее сокращение сро­ка службы изоляции при тепловом сохранении в 2 раза.

Данное выражение является следствием известного из химии уравнения Аррениуоа при указанном допущении. Значение для раз­ных используемых в технике видов внутренней изоляций лежит в пре­делах от 8 до 12°С и в среднем составляет 10°С. Это среднее зна­чение следует принять для расчетов в контрольной работе. Исполь­зуя приведенное выражение можно, зная срок службы изоляции при нормальной температуре , определить срок службы при любой темпе­ратуре.

Приведенное выражение для сроков служба изоляции при тепло­вом старении дает достаточную для практики точность. В то же вре­мя вследствие сложности химических процессов и влияния на них большого числа факторов строгий расчет сроков службы внутренней изоляции при тепловом старении затруднителен.

Порядок оформления задачи

1. Расчет появления в изоляции частичных разрядов U_пр.

2. Расчет среднего срока службы изоляции при нормальной тем­пературе т₀-

3. Расчет зависимости среднего срока службы изоляции от тем­пературы т - f(t). Расчет произвести в диапазоне температур от 20 до 50°С с шагом 10°С.

4. Построение графика зависимости - f{t).