Частичные разряды в твердой изоляции

Частичные разряды – это разряды в газовых включениях твердой или жидкой изоляции. В процессе изготовления в твердой изоляции остаются поры и расслоения, заполненные газом. Газовые включения в изоляции могут возникать и в процессе эксплуатации в результате резких смен температур, неполных пробоев, растрескивания под действием механических нагрузок. Твердая изоляция с газовым включением представляется простейшей схемой замещения, приведенной на рис. 7.

Напряжение на газовой полости в соответствии со схемой замещения

(2.21)

Рис. 7. Разрез и схема замещения изоляции с газовым включением.

где U₁ – напряжение на газовой полости; U – приложенное напряжение; С₁ и С₂ – емкости газовой полости и последовательно включенного с ней диэлектрика соответственно.

В случае цилиндрической полости, изображенной на рис. 7.

(2.22)

(2.23)

Подставив значение емкостей, получим:

(2.14)

В этих формулах ε_r1 и ε_r2 – относительные диэлектрические проницаемости газовой полости и твердого диэлектрика соответственно; d₁ – толщина газовой полости; d – толщина изоляции; ε₀ – электрическая постоянная.

Напряженность поля в газовой полости составит:

(2.15)

где E=U/d – средняя напряженность поля в изоляции при отсутствии газового включения.

Так как относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков ε_r2 больше диэлектрической проницаемости газов ε_r1, то напряженность поля в газовой полости будет выше, чем средняя напряженность поля в электрической изоляции. Если напряженность поля в полости достигнет электрической прочности, то произойдет разряд в газе. Электрическая прочность воздуха не зависит от того, подводится ли напряжение к слою непосредственно металлическими электродами или же слой воздуха находится между диэлектрическими поверхностями. Электрическая прочность воздуха в газовой полости возрастает с уменьшением толщины и диаметра полости. Зависимость электрической прочности воздуха от толщины зазора выражается следующей приближенной формулой:

(2.16)

где E_пр – в вольтах на метр, а d₁ – в метрах.

Приложенное к изоляции напряжение, при котором возникает разряд в газовом включении, получило название напряжение возникновения частичного разряда. Если U₁ будет равно пробивному напряжению газа в полости, получим:

(2.17)

где U_ч – напряжение возникновения частичных разрядов; E_пр – электрическая прочность газа в полости.

При разряде в газовой полости происходит нейтрализация заряда, накопившегося на ее поверхности. Напряжение на газовой полости в месте разряда падает практически до нуля. Продолжительность разряда составляет 10^-8-10^-9 с. После прекращения разряда происходит рекомбинация ионов, напряжение на полости восстанавливается и возникает новый разряд. Частота следования разрядов на постоянном токе определяется скоростью заряда емкости полости через сопротивление последовательно включенного слоя твердого диэлектрика, приложенным напряжением и формой полости. При переменном напряжении число частичных разрядов в единицу времени составляет:

(2.18)

где n₁ – число частичных разрядов в единицу времени; ω/2π – частота переменного тока; U – приложенное к изоляции напряжение; U_ч – напряжение возникновения частичных разрядов.

Формула справедлива при U>>U_ч. Если U<U_ч, то n₁=0. Разряд в газовой полости сопровождается образованием свободных электронов и ионов, которые движутся по направлению к ее стенкам, возбуждением молекул и рекомбинацией зарядов. Энергия электрического поля, накопленная в полости перед разрядом, будет превращаться в энергию заряженных частиц, тепловую, акустическую, электромагнитную и другие виды энергии. Значительная часть энергии газового разряда поглощается окружающим твердым диэлектриком, что вызывает повышение его температуры.

Наибольшее повышение температуры диэлектрика будет иметь место в зоне мгновенных катода и анода, где выделяется наибольшее количество энергии во время разряда. Время выделения энергии составляет 10^-8-10^-9 с., т.е. равно времени разряда. Мгновенная температура заметно отличается от среднего значения, до которого нагревается весь объем диэлектрика.

Разряд в газовой полости вызывает перераспределение электрического поля. Если до разряда наибольшая напряженность поля имела место в газовой полости, то в период разряда за счет резкого увеличения проводимости разрядного канала наибольшая напряженность поля возникнет в твердом диэлектрике у мгновенных катода и анода. Электроны и ионы бомбардируют стенки полости и, передавая энергию молекулам твердого тела, вызывают их разрушение с образованием ионов и радикалов. Одновременное действие активных химических продуктов, образующихся в разряде (озона, атомарного кислорода, окислов азота и т.д.), создает условия для изменения состава и структуры материала.

Таким образом, под действием частичного разряда происходит постепенное разрушение электрической изоляции, которое завершается пробоем.

Разрушающее действие частичных разрядов является суммой одновременно действующих факторов:

1) повышения температуры диэлектрика в месте действия разряда,

2) высокой местной напряженности поля в области мгновенных катода и анода,

3) бомбардировки стенок полости электронами и ионами,

4) излучения возбужденных и рекомбинирующих атомов и молекул,

5) реакции с химически активными продуктами.

Наибольшее разрушающее действие на электрическую изоляцию оказывают высокая температура и высокая местная напряженность поля. Эти два фактора в наибольшей степени предопределяют отказ электрической изоляции. Бомбардировка стенок полости электронами и ионами и действие лучистой энергии в конечном итоге вызывают повышение температуры диэлектрика. Вероятность того, что электрон и ион, образующиеся в газовом разряде, вызывают ионизацию и диссоциацию молекул твердого тела за счет передачи им части своей кинетической энергии, незначительна.

Для того чтобы электрон вызывал диссоциацию связи молекулы полиэтилена, он должен приобрести энергию в газовом разряде, приблизительно равную 1,2·10^-14Дж (около 10⁵эВ). Энергия же электронов в газовом разряде примерно на три порядка меньше. Поэтому электрон, как правило, передает атомам свою кинетическую энергию и усиливает лишь их тепловые колебания, т.е. повышает температуру.

Если принять, что высокая местная напряженность поля и температура определяют разрушение твердого диэлектрика под действием частичного разряда, то можно воспользоваться термофлуктуационной теорией для описания времени до отказа изоляции. Уравнение "кривой жизни" электрической изоляции в этом случае имеет вид:

(2.19)

где q_ч и q – вероятности разрыва связи в единицу времени при действии частичного разряда и без него соответственно; τ – время до отказа изоляции; τ_ч – суммарное время действия частичных разрядов на диэлектрик за время τ.

При записи выражения пренебрегаем временем развития разрушения.

Вероятность разрыва связи в единицу времени при действии частичного разряда составит:

(2.20)

где T_ч – температура в зоне мгновенных анода и катода, развивающаяся в период действия частичного разряда.

Время действия частичного разряда:

(2.21)

где τ₁ – время действия одного частичного разряда, равное 10^-8-10^-9 с; n₁ – число частичных разрядов за одну секунду.

Подставляя в эту формулу значение n₁, получим:

(2.22)

где E_ч – средняя напряженность поля появления частичных разрядов; E – приложенная напряженность.

Формула справедлива при U>>U_ч. Если приложенное напряжение меньше U_ч, то τ_ч=0.

При эксплуатации электрической изоляции можно встретить следующие режимы ее работы:

1) приложенное напряжение меньше напряжения появления частичных разрядов,

2) приложенное напряжение много больше напряжения появления частичных разрядов,

3) приложенное напряжение превышает, но близко к напряжению появления частичных разрядов,

4) сложный режим электрического нагружения, когда приложенное напряжение изменяется во времени.

В первом режиме частичные разряды при всех режимах работы в электрической изоляции отсутствуют, т.е. τ_ч равно нулю.

При втором режиме работы интенсивность частичных разрядов и первый член левой части уравнения "кривой жизни" много больше второго. В этом случае вторым членом можно пренебречь и уравнение "кривой жизни" электрической изоляции принимает вид:

(2.23)

После преобразований найдем:

(2.24)

В правую часть формулы входят характеристики электроизоляционного материала и электроизоляционной конструкции, которые для данного устройства постоянны, характеристики частичных разрядов, которые определяются размерами газового включения и давлением газа в полости и, следовательно, для данного устройства также постоянны, и действующие нагрузки. Если нагрузки не меняются, то правая часть будет постоянна и, следовательно, ωτ = const. Неизменность произведения частоты переменного тока на время до отказа электрической изоляции неоднократно подтверждалась в экспериментах при воздействии частичных разрядов. Однако постоянство будет соблюдаться при условии выполнения сделанных допущений, а именно:

1) приложенное напряжение много больше напряжения появления частичных разрядов;

2) приложенное напряжение при разных частотах одинаково;

3) затухание частичных разрядов отсутствует при всех изучаемых частотах.

Срок службы электрической изоляции при приложенном напряжении, много большем напряжения появления частичных разрядов, весьма мал, и такой режим работы может быть допущен для конструкций однократного действия, например для кабеля, питающего взрывное устройство.

Малый срок службы электрической изоляции при действии частичных разрядов обусловлен достаточно высокой температурой, достигающей 500-600 К. и повышенной местной напряженностью поля.

Третий режим работы, когда приложенное напряжение выше, но близко к напряжению появления частичных разрядов, требует расчета времени до отказа по формуле:

(2.25)

Выражение будет справедливо, если отсутствует затухание частичных разрядов, которое представляет собой явление уменьшения интенсивности частичных разрядов при увеличении времени приложения напряжения. При затухании частичных разрядов одновременно наблюдается возрастание напряжения их появления. Таким образом, если в электрической изоляции имеет место затухание частичных разрядов, то E_ч будет зависеть от времени. Затухание частичных разрядов обусловлено двумя процессами, происходящими в газовом включении:

1) повышением давления в закрытой полости в результате выделения газообразных продуктов разложения твердого диэлектрика,

2) образованием полупроводящих продуктов разложения твердого диэлектрика, оседающих на поверхности полости и шунтирующих газовое включение.

При повышении давления в газовом включении растет электрическая прочность газа, что приведет к увеличению U_ч и снижению интенсивности разрядов (числа разрядов в единицу времени). Однако, учитывая, что газопроницаемость твердых диэлектриков не равна нулю, полное затухание частичных разрядов за счет повышения давления в полости произойти не может.

Разрушение полимерных диэлектриков под действием частичных разрядов сопровождается образованием свободного углерода, кислородсодержащих органических соединений, кислот и т.д. Эти продукты, имеющие повышенную проводимость, оседают на стенках газового включения и уменьшают на ней падение напряжения.

Затухание частичных разрядов зависит от формы и размеров газовых включений и температуры диэлектрика. При газовых включениях вытянутых в направлении поля, затухание происходит быстрее, чем в полостях, имеющих большие размеры в направлении, нормальном к электрическому полю. Повышение температуры замедляет процесс затухания частичных разрядов.

Затухание частичных разрядов приводит к увеличению реального срока службы электрической изоляции по сравнению с расчетным значением.

При четвертом режиме работы, когда приложенное напряжение изменяется во времени сложным образом, уравнение "кривой жизни" электрической изоляции преобразуется к следующему виду:

(2.26)

где q_чi и q_i – вероятности разрыва связи в единицу времени при i-м режиме работы электрической изоляции; τ_i – продолжительность действия частичных разрядов при i-м режиме; n – число режимов работы электрической изоляции до отказа.

Время работы электрической изоляции до отказа найдем по выражению

(2.27)

Если при каких-то режимах частичные разряды отсутствуют, то τ_чi будет равно нулю.

Формула описывает наиболее общий случай работы электрической изоляции, которая в эксплуатации подвергается сложному комплексу нагрузок, изменяющихся во времени.