Диагностика изоляции коммутационных аппаратов

Свойства изоляционных материалов. Диэлектрические материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей коммутационных аппаратов. (вакуум, элегаз, воздух, нефтяные и искусственные масла, твердые диэлектрики). При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик”. Они возникают в процессе изготовления, хотя могут образоваться в процессе эксплуатации. Наличие пор и, связанное с ними, возникновение ионизационных явлений, является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации – старения диэлектриков.

Старение диэлектрика (постепенное его изменение, сопровождающееся ухудшением или полной потерей изоляционных свойств) вызывается процессами, связанными с химическими, тепловыми, механическими и электрическими воздействиями. Эти процессы действуют одновременно и являются взаимосвязанными. К химическим процессам ухудшения органических изоляционных материалов относятся окисление и реакции с агрессивными компонентами окружающей среды, которым благоприятствует наличие влаги и повышенная температура. При нагреве, вследствие внешних причин и диэлектрических потерь, износ материала сопровождается распадом вещества, появлением хрупкости, снижением электрической прочности. К основным явлениям старения относятся также физические и химические изменения органических изоляционных материалов, вызванные процессами частичных разрядов. Механические воздействия, вызывая нарушения целостности материала (разрывы, расслоения), снижают электрическую прочность изоляционной конструкции.

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло. Трансформаторное масло - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. Изоляционное масло является также и теплопроводящей и защитной средой. При старении масло окисляется, что приводит к образованию органических кислот, растворимых в масле или создающих осадки (шлам). Увлажнение снижает его электрическую прочность. Термические воздействия приводят к крекингу. Старение масла снижает надежность изоляционной конструкции, так как повышенная кислотность способствует старению твердой изоляции, а осаждение шлака увеличивает диэлектрические потери и ухудшает отвод теплоты. Влага из масла, переходя в твердый диэлектрик, усиливает в нем процессы разрушения. Наличие в масле пузырьков газа способствует развитию частичных разрядов. Конечным результатом воздействия перечисленных факторов на изоляционную конструкцию является изменение структуры диэлектриков, их свойств, появление внутренних дефектов и продуктов разложения.

Прямые методы определения интенсивности перечисленных процессов, пригодные для эксплуатационных условий, отсутствуют. Применяются косвенные методы контроля. Для этого используются параметры изоляции, значения которых определяются процессами, происходящими в диэлектриках (поляризация, абсорбция, ионизация, проводимость и т.п.). К таким параметрам относятся комплексная проводимость изоляции, диэлектрические потери, емкость, интенсивность частичных разрядов. Для диагностирования используются также зависимости этих параметров от температуры, приложенного напряжения, времени и т.п.

Из газообразных диэлектриков наибольшее применение нашел элегаз - шестифтористая сера SF₆ (электрический газ). Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Элегаз химическая инертен, нетоксичен, негорюч, термостоек (до 800 ° С), взрывобезопасен, слабо разлагается в разрядах, имеет низкую температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны. Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к. электрическая прочность увеличивается с ростом давления.

В настоящее время накласс напряжения 6 - 10 кВ выпускаются, в основном, вакуумные выключатели (ВВ), широкое применение которых вызвано их умеренной стоимостью и высокими эксплуатационными качествами, прежде всего, большой коммутационной и механической износостойкостью, высокой надежностью и низкими эксплуатационными затратами. Основные достоинства ВВ обусловлены дугогасительными свойствами вакуума, его высокой электрической прочностью (порядка 30 кВ/мм) и принципом гашения дуги в вакууме, которые при контактном промежутке 6 - 8 мм обеспечивают соответствие выключателей 10 кВ требованиям ГОСТ 687. Гашение дуги переменного тока осуществляется при разведении контактов в вакууме порядка 10 – 6 мм рт. ст. Поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка достаточно высока, отключение гарантировано происходит при зазорах более 1 мм, время горения дуги при этом минимальное.