Старение изоляции под воздействием частичных разрядов

Под действием электрического поля старение преимущественно происходит за счет развития в изоляции частичных разрядов (ЧР). В ряде случаев ЧР возникают в газовых включениях в толще изоляции.

Электрическая прочность газовых пузырьков ниже, чем прочность жидкого или твердого диэлектрика, а напряженность электрического поля в газовом пузырьке при переменном напряжении выше, чем в жидком или твердом диэлектрике. В сферическом газовом включении с диэлектрической проницаемостью напряженность электрического поля равна

(5.9)

где - напряженность в окружающем диэлектрике с диэлектрической проницаемостью в отсутствие включения.

При включении в виде плоской щели, расположенной поперек силовых линий поля,

(5.10)

В области высоких напряженностей порядка 10 В/см и выше в твердых и жидких диэлектриках в отсутствие газовых включений может возникнуть микропробой, приводящий к местному разрушению диэлектрика. Подобные процессы в твердых диэлектриках могут приводить к зарождению древовидных каналов (дендритов), развитие которых в последующем происходит за счет ЧР в этих микроканалах, заполненных газом.

Разрушение жидких и твердых диэлектриков частичными разрядами сопровождается выделением газа, состоящего преимущественно из водорода и углеводородных соединений.

При изготовлении внутренней изоляции высоковольтного оборудования обычно принимаются специальные меры против появления газовых включений. Несмотря на это во многих случаях приходится считаться с возможностью их случайного образования на стадии изготовления, например из-за несовершенства процессов сушки и пропитки, или в эксплуатации (появление трещин при механических перегрузках, выделение газов при разложении материалов из-за местных перегревов и т.д.).

В бумажно-масляной и в масло-барьерной изоляции оборудования высших классов напряжения при строгом соблюдении технологии изготовления газовые включения отсутствуют. Однако и в этих видах внутренней изоляции могут развиваться ЧР, но при существенно более высоких напряженностях, чем в изоляции с газовыми включениями.

Экспериментально установлено, что в БПИ возможны ЧР двух видов: начальные и критические.

Начальные ЧР характеризуются зарядами от 10^-14 ÷ 10^-11 Кл. Они развиваются непосредственно в масляных прослойках между электродом и прилегающим слом бумаги у острых кромок или у микронеровностей электродов, т.е. в местах локального усиления электрического поля. С ростом приложенного напряжения средняя мощность НЧР возрастает.

Из-за малой энергии, рассеиваемой в отдельных НЧР, эти разряды не оказывают разрушающего воздействия на бумагу, а вызывают лишь медленное разложение масла с выделением газа и образованием ряда других продуктов. Сущность электрического старения, обусловленного НЧР, состоит в постепенном накоплении в изоляции продуктов разложения масла, приводящих к росту тангенса угла диэлектрических потерь и мощности диэлектрических потерь. Со временем этот процесс приводит к тепловому пробою изоляции. Возможен и другой механизм старения: постепенное повышение в масле концентрации газов, образующихся под действием НЧР. В этом случае старение завершается тогда, когда масло полностью насыщается газом, растворение газов в масле прекращается, и в изоляции образуются газовые включения. В последних возникают мощные критические ЧР, которые быстро разрушают слои бумаги до полного пробоя.

НЧР в БПИ при рабочем напряжении в принципе допустимы, однако их мощность не должна превышать значений, определяемых требуемым сроком службы. В ряде случаев конструкции с БПИ проектируются по условию полного отсутствия НЧР при рабочем напряжении.

КЧР имеют кажущиеся заряды Кл и более. При быстром подъеме напряжения такие разряды возникают, когда мощность НЧР возрастает настолько, что скорость выделения газов из масла становится выше скорости их растворения и в изоляции образуются устойчивые газовые включения. В этих включениях и развиваются КЧР.

КЧР имеют мощность достаточную для относительно быстрого (минуты, часы) разрушения слоев бумаги. Они особенно опасны тем, что их появление даже на очень короткое время, например при перенапряжениях, приводит к образованию в изоляции газовых включений, в которых эти мощные ЧР могут развиваться затем при напряжениях ниже начального, могут сохраниться и при рабочем напряжении и за короткое время разрушить изоляцию до пробоя.

Обязательным условием длительной, надежной работы БПИ является отсутствие КЧР при всех возможных перенапряжениях и при испытательных напряжениях.

В МБИ также могут иметь место НЧР и КЧР. Первые из них имеют кажущиеся заряды не более Кл и возникают непосредственно в масляных зазорах конструкции или в газовых включениях. Такие ЧР , как правило, безопасны для изоляции, так как твердую изоляцию они не повреждают, а продукты разложения масла распределяются по большим объемам.

КЧР с кажущимися зарядами Кл и более представляют собой пробой масляных каналов в конструкции или скользящие разряды по поверхности твердой изоляции. Появление КЧР в МБИ недопустимо, т.к. такие разряды вызывают необратимое снижение длительной электрической прочности изоляции.