Не дефіцитність і технологічність

Спеціальні (наприклад, діелектрики для силових конденсаторів повинні мати підвищену діелектричну проникність).

Усі групи вимог є головними, недотримання кожного з них призводить до виходу з ладу устаткування або є економічно й екологічно неприйнятним.

Провідність твердих діелектриків, що мають іонну кристалічну структуру, пов’язана з дією високої напруги, внаслідок чого іони зриваються з вузлів кристалічних ґраток і створюють іонну провідність.

Аморфні органічні тверді діелектрики (смоли, бітуми) мають домішкову провідність за рахунок дисоціації молекул речовини на іони.

Важливою характеристикою твердих діелектриків є залежність електропровідності s = f (T) і електричної міцності U= f (T) від температури: при підвищенні температури Т збільшується енергія електронів і іонів, внаслідок чого провідність s зростає, а електрична міцність Uпадає (Рис.8.1). Залежність σ від температури має експонентний характер:

; або: , (7.1)

де А, В – const, що залежать від властивостей діелектрика.

Рис.7.1.- Залежність електричної міцності фарфора від температури.

7.3. Механізми пробою твердих діелектриків

Пробій твердих діелектриків обумовлений повільним або дискретним погіршенням його діелектричних властивостей, що призводить до незворотних змін у структурі матеріалу і остаточній втраті електричної міцності. Оскільки номенклатура твердих діелектриків різноманітна, вони суттєво відрізняються структурою і властивостями, єдиного механізму пробою не існує, тому розрізняють електричний, тепловий і іонізаційний пробої.

При електричному пробої під дією короткотривалих імпульсів за рахунок руйнування кристалічної гратки або автоелектронної емісії з катоду утворюються лавини електронів. Термін утворення потоку вільних електронів і руху їх від одного електрода до іншого залежить від матеріалу і товщини ізоляції і знаходиться в діапазоні одиниць-десятків мкс. Такий механізм розряду називається лавинно-стримерним.

Процес розряду в рівномірному електричному полі починається з автоелектронної емісії. З катода виходять електрони, що прискорюються полем і прямують до анода. У зворотному напрямку розвивається позитивний стример. Швидкі електрони передають енергію вузлам кристалічної решітки, збуджують її і можуть зруйнувати, утворивши термоіонізований (обвуглений) канал провідності. Канал наповнюється газоподібними продуктами, що збільшує число електронів, які беруть участь в іонізації молекул твердого діелектрика й розвитку розряду.

Зі збільшенням терміну дії напруги на твердий діелектрик величина напруги пробою U_пр зменшується (рис.7.3).

Рис.7.3.- Залежність електричної міцності ізоляції від тривалості дії напруги.

Ця характеристика важлива з погляду визначення електричної міцності ізоляції і величини випробувальної напруги в реальних умовах експлуатації. Величина напруги пробою U_пр від товщини ізоляції S: U_пр = f (S) визначається видом полів між електродами: однорідни чи неоднорідни (рис. 7.4).

Uпр

,см

Рис.7.4.- Залежність напруги пробою від товщини ізоляції: (1)- в однорідному полі; (2) –в неоднорідному полі.

Uпр, кВ

При багаторазових впливах на твердий діелектрик імпульсів напруги відбувається поступове нагромадження в ньому дефектів, яке закінчується пробоєм (рис.7.5).

Рис.7.5.- Залежність напруги пробою від числа імпульсів n, що діють на ізоляцію.

Відношення пробивної напруги при багаторазовій дії на ізоляцію до напруги при одноразовій дії називається коефіцієнтом кумулятивности («cumulo» - накопичувати):

; 0,5 £ k_к £ 1. (7.2)

Тепловий пробій обумовлений діелектричними втратами електричної енергії Р_акт в діелектрику, в наслідок чого відбувається його нагрівання, а це викликає ще більше зростання діелектричних втрат і провідності s, що обумовлює більший розігрів і т.д. При цьому якщо тепловиділення в діелектрику перевищує тепловідвід, відбувається термічне руйнування твердого діелектрика з утворенням термоіонізованих каналів, по яких розвивається тепловий пробій. Для однорідного діелектрика, розташованого між двома електродами пробивна напруга (за Фоком) дорівнює:

, (7.3)

де U_пр – діюче значення пробивної напруги, кВ; С_д – коефіцієнт теплопровідності діелектрика, Вт/см.град; f – частота,Гц a _р – температурний коефіцієнт зростання втрателектроенергії; q- безрозмірний параметр, що характеризує тепловідведення з поверхні електродів.

Іонізаційний пробій твердого діелектрика обумовлений наявністю в реальних діелектриках різноманітних неоднорідностей; газових, масляних, та інших інородних включень, які під дією електричного поля іонізуються і різко знижують електричну міцність ізоляції. При тривалій інтенсивній іонізації відбувається розкладання органічної ізоляції, інтенсивне газовиділення, зростає tg d матеріалу і процес завершується електричним або тепловим пробоєм.

Якщо в ізоляції створити напруженість поля Е_н і через деякий час її зняти, то іонізація припиняється і ізоляція самовідновлюється. Якщо прикласти величину критичної напруженості іонізації Е_кр -відбудеться руйнування структури твердого діелектрика й ізоляція не відновлюється. Величину критичної напруженості для кожного діелектрика встановлюють експериментально.

Контроль якості внутрішньої ізоляції здійснюють не за результатами виміру фактичних пробивних напруг, а шляхом перевірки здатності витримувати випробувальну напругу, з урахуванням можливих перенапруг. Тривалу електричну міцність ізоляції перевіряють побічно за результатами виміру величини tg d, інтенсивності часткових розрядів та ін. Вологорозрядну напругу визначають при нанесенні на поверхню ізоляторів мілкодисперсного пилу (цементу) з наступним зволоженням водою чі сконденсованою парою, або в атмосфері солоного туману.

7.4.Ізоляція трансформаторів

Ізоляція силових трансформаторів складається з різноманітних за конструкцією елементів, що виконують різні функції. Повітряні проміжки між вводами – це зовнішня ізоляція, а всі ізоляційні проміжки всередині бака трансформатора – внутрішня, яка поділяється на головну й поздовжню. Головна ізоляція – це ізоляція обмоток щодо землі і між різними обмотками. Поздовжня ізоляція – це ізоляція між різними ділянками однієї і тієї ж обмотки (витками, шарами, котушками).

При заземленій нейтралі найбільша імпульсна напруга на головній ізоляції буде на відстані ¹/₃ довжини обмотки від початку і може на 20% перевищувати діючу напругу.

При ізольованій нейтралі найбільша імпульсна напруга буде на кінці обмотки і може перевищувати діючу напругу на 50- 80%.

Якщо з’являється імпульсна напруга з крутим фронтом, то на поздовжній ізоляції може виникнути напруга, яка більше ніж у 10 разів перевищує номінальну. Це буває при зрізах імпульса, тобто пробої іскрового проміжку поблизу трансформатора. Через індуктивність проводів напруга на трансформаторі буде мати коливальний характер (рис.7.6). Амплітуда імпульсу напруги може досягати 1,6∙ U_ср (U_ср – напруга зрізу).

Рис.7.6.- Амплітуда зрізаного імпульсу на трансформаторі.

Для зниження напруги на поздовжній ізоляції застосовують ємнісні екрани і так звані переплетені обмотки, коли витки з'єднуються у певній послідовності. При цьому сусідні витки знаходяться під суттєво різними потенціалами і зниження імпульсних перенапруг досягається за рахунок збільшення робочої напруги на поздовжній ізоляції.

7.5. Конструкція ізоляції трансформаторів

У сучасних силових трансформаторах як головна ізоляція використовується МБІ. Поздовжня ізоляція - це переважно ПМІ, або ізоляція у вигляді покриття витків і котушок обмотки лаком. МБІ-ізоляція має високу короткострокову електричну міцність і інтенсивно охолоджується циркуляцією масла. Для більшої ефективності бар'єри в МБІ розташовують перпендикулярно до силових ліній електричного поля, тому в трансформаторах, де поле має складну конфігурацію, застосовують комбінацію бар'єрів різної форми, щоб виконати цю умову (рис.7.7).

Рис.7.7.-Схема розташування бар’єрів навколо обмотки трансформатора.

Внутрішня і зовнішня ізоляція трансформатора випробовується повним і зрізаним стандартними імпульсами і змінною напругою промислової частоти. Найбільш розповсюджений метод контролю поздовжній ізоляції, це осцилографування струму в нейтралі трансформатора і порівняння отриманих осцилограм з типовими. Міжвиткові й міжкотушечні замикання змінюють характер осцилограм, дозволяючи визначати характер і місце пробою.

У трансформаторах зі зниженим рівнем ізоляції нейтралі випробування проводять індуктованою напругою підвищеної частоти. На первинну обмотку трансформатора подають таку напругу, щоб на дослідній обмотці вона дорівнювала випробуваній. Нейтраль при цьому заземлюють. Підвищена частота застосовується тому, що подавана напруга приблизно дорівнює подвійній номінальній і при 50 Гц індукція в магнітопроводі і струм намагнічення досягли б неприпустимо високих величин.

Крім підвищеної напруги вимірюють також tgd, опір ізоляції, ємнісні характеристики обмотки, інтенсивність часткових розрядів.

Питання для самоконтролю

1.Що таке внутрішня і зовнішня ізоляція?