ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
О ПРОБОЕ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Основные факторы, определяющие
Электрическую прочность жидких
Диэлектриков
Пробивные напряжения жидких диэлектриков в значительной степени зависят от ряда случайных факторов, главнейшим из которых являются загрязнения. Для электроизоляционных жидкостей характерен большой разброс экспериментальных результатов, вызванный сильным влиянием примесей. Кроме того, каждый пробой жидкого диэлектрика может вызвать образование мелких частиц сажи и, следовательно, перераспределение примесей. Такие изменения также приводят к увеличению разброса пробивных напряжений. Вид примесей (твердых, жидких или газообразных) и характеристики (проводимость, форма, размеры и др.) также влияют на степень воспроизводимости данных эксперимента. Увеличение степени очистки жидкости всегда уменьшает разброс пробивных напряжений при прочих равных условиях.
Для получения надежного результата обычно прибегают к весьма большому числу измерений пробивного напряжения (до нескольких сотен, а иногда и тысяч). По этим данным определяют закон статистического распределения пробивных напряжений. Это распределение служит одной из основных характеристик электрической прочности жидкого диэлектрика. Для практической оценки качества жидкости часто пользуются параметрами распределения: среднее пробивное напряжение, среднеквадратичный разброс и др.
Многочисленными экспериментальными работами показано, что пробивное напряжение жидких диэлектриков очень сильно снижается при наличии примеси влаги. Так, например, при содержании влаги в количестве 0,03 % пробивное напряжение трансформаторного масла может быть в десять раз меньше пробивного напряжения тщательно очищенного масла. Вода, попадающая в неполярную жидкость (трансформаторное масло, гексан и др.), частью образует эмульсию определенной степени дисперсности, стабилизованную поверхностно-активными веществами, адсорбированными к междуфазной границе раздела, частью же образует молекулярный раствор. Поверхностно-активными веществами в случае трансформаторного масла могут быть свободные нафтеновые кислоты, мыла, полярные смолы, содержащиеся в масле в коллоидном состоянии.
На снижение электрической прочности большее влияние оказывает вода в виде эмульсии. Пробивное напряжение разных образцов масла при одном и том же содержании воды может быть резко различным по той причине, что в них могут содержаться различные примеси, что оказывает влияние на соотношение между количеством воды в эмульгированном и растворенном состояниях. На рис. 3.1 представлены зависимости, характеризующие поведение масел, содержащих воду и твердые включения. Видно, что электрическая прочность масла с малым содержанием твердых частиц слабо зависит от содержания влаги. По мере загрязнения масла твердыми примесями электрическая прочность более резко снижается с увеличением влажности масла.
 |
| Рис. 3.1. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от концентрации воды при температуре 25°С. 1 – технически чистое масло (~ 50 г/т твердых включений); 2 – масло после двукратной фильтрации (менее 0,5 г/т твердых включений) |
При напряжении промышленной частоты пробивное напряжение технических жидких диэлектриков может сложным образом изменяться с температурой. Для увлажненных масел с увеличением температуры происходит
|
| Рис. 3.2. Зависимость пробивной напряженности от температуры для трансформаторного масла при различной концентрации воды. 1 – С < 20 г/т; 2 – С = 100 г/т |
возрастание растворенной фазы за счет эмульсионной. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на температурную зависимость пробивного напряжения масла. Для тщательно высушенного, чистого транс -форматорного масла в работах Лазарева и других исследователей показано, что электрическая прочность мало изменяется при повышении температуры от 20 до 90 0С. Увлажнение того же чистого трансформаторного масла приводит к появлению явно выраженного температурного максимума (рис. 3.2). Как видно из рисунка, температурный максимум пробивной напряженности при разных концентрациях воды соответствует приблизительно одинаковой температуре (» 65 0С). Наличие температурного максимума нельзя объяснить улетучиванием воды при росте температуры (хотя это явление, по всей вероятности, имеет место), так как при охлаждении масла электрическая прочность вновь переходит через максимум при той же температуре (рис. 3.3).
Таким образом, температурный максимум электрической прочности увлажненного масла можно объяснить переходом воды с ростом температуры из эмульсионного в растворенное состояние. По мере возрастания
|
температуры и перехода воды из эмульгированного состояния в растворенное электрическая прочность будет увеличиваться до тех пор, пока не начнут проявлять себя другие факторы, снижающие эту величину, например, газовые пузырьки. 
|
| Рис. 3.3. Прямой и обратный ход изменения пробивной напряженности с температурой для увлажненного трансформаторного масла |
Некоторые жидкие примеси увеличивают электрическую прочность диэлектриков. Например, добавка к маслу йода в количестве 0,01 г/л увеличивает прочность на 18%, но увеличение количества йода до 0,1 г/л сопровождается уже уменьшением пробивного напряжения на 5 %. Эти рабо- ты представляют значительный практический интерес и требуют дальнейших детальных исследований.
Наличие твердых примесей сильно снижает пробивное напряжение жидкого диэлектрика. Твердые частицы, диэлектрическая проницаемость которых больше диэлектрической проницаемости жидкости, втягиваются в область наиболее сильного поля, образуют мостики, которые способствуют пробою. Наличие мостиков и отдельных цепочек сильно искажает поле между электродами, и пробой жидкого диэлектрика происходит в резко неоднородном поле, что ведет к снижению пробивного напряжения.
Если жидкость сильно загрязнена твердыми частицами, то образование мостика происходит сравнительно быстро, за время около секунды или несколько секунд. Однако примеси волокон не во всех случаях снижают пробивное напряжение жидкого диэлектрика. Если волокно “cухое”, то заметного снижения пробивного напряжения не наблюдается. Резкое снижение электрической прочности имеет место при загрязнении жидкости влажными волокнами. Такие волокна обладают повышенной проводимостью, образование мостика из них приводит к тому, что поле особенно сильно искажается. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то происходит не только искажение электрического поля, но и уменьшение расстояния между электродами. В случае сухих волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей степени влияют на пробивное напряжение жидкого диэлектрика.
Примеси оказывают существенное влияние на снижение пробивного напряжения технически чистой электроизоляционной жидкости с увеличением времени выдержки под напряжением (рис. 3.4). Процесс образования мостиков и цепочек из примесных частиц требует значительного времени. В связи с этим чем дольше действует электрическое поле, тем при меньшей напряженности мостики и цепочки достигают необходимых для пробоя размеров. При коротких временах воздействия напряжения мостики могут не успевать выстраиваться и электрическая прочность жидких диэлектриков в этом случае возрастает.
|
| Рис. 3.4. Зависимость пробивной напряженности трансформаторного масла от времени выдержки под напряжением |
В последнее время проведен ряд исследований, которые убедительно показали, что увеличение площади электродов снижает электрическую прочность масла при воздействии переменного напряжения промышленной частоты и импульсов микросекундной деятельности. Эту зависимость часто объясняют действием “слабых звеньев“, находящихся в промежутке. Отмечается, что “эффект площади“ электродов (1 - 5 см 2) присутствует на переменном напряжении 50 Гц и на импульсах микросекундной длительности и отсутствует при пробое на наносекундных импульсах. В связи с этим предполагается, что в роли основного фактора “слабых звеньев“ выступают примеси в жидкости: твердые включения, пузырьки газа, капельки влаги. Качественное обоснование этого положения можно усмотреть в том, что при относительно длительном воздействии напряжения в промежутке под действием электрического поля могут выстраиваться мостики из инородных включений, условия пробоя по которым или вдоль которых облегчены. При наносекундном пробое жидкостей большую роль в пробое начинают играть электронные процессы.
|
| Рис. 3.5. Зависимость пробивной напряженности трансформаторного масла от его объема при напряжении промышленной частоты |
При воздействии напряжения 50 Гц и импульсов микросекундной длительности в однородном поле отмечается уменьшение электрической прочности трансформаторного масла в равной степени как в результате увеличения площади электродов от 0,07 до 1,88 м2 (при постоян- ном межэлектродном расстоянии), так и при увеличении межэлектродного расстояния с 6,8 до 21,9 мм (при постоянной площади электродов). Это говорит о том, что не только площадь электродов, то есть состояние их поверхности, влияет на электрическую прочность масла, но и объем масла, причем влияние последнего определяющее (рис. 3.5). Процентное уменьшение электрической прочности масла с увеличением объема масла составляет: 28 % - при напряжении 50 Гц; 39 % - при импульсах 1/50 мкс. Уменьшение импульсной прочности масла также указывает на влияние при пробое на импульсах механических и термических процессов с участием твердых частичек и пузырьков газа.
В ряде работ указывается, что прочность трансформаторного масла может быть связана с объемом, находящимся в области между максимальной напряженностью и напряженностью, составляющей 90 % от максимальной, который называется “напряженным объемом масла“. Однако использование величины 90-процентной напряженности от максимальной в качестве границы для “напряженного объема масла“ фактически не обосновывается, поэтому для получения большей ясности в этом вопросе необходимы дальнейшие исследования, в том числе и по выявлению роли примесей на величину этого объема масла.
Экспериментальные данные указывают также на различие пробивных напряжений в неоднородных электрических полях при воздействии переменного и постоянного напряжений. Так, из табл. 3.1 видно, что при комнатной
Таблица 3.1. Отношение пробивных напряжений промежутка шар – плоскость (l = 10 мм) в трансформаторном масле при воздействии переменного (UПР,М) и постоянного (UПР,0) напряжений
| Диаметр шара, мм | Отношение UПР,М/UПР,0 при различных температурах масла | |
| 20 °С | 70 °С | |
| 0,92 | 1,39 | |
| 1,02 | 1,28 | |
| 1,05 | 1,20 |
температуре значения пробивных напряжений технически чистого трансформаторного масла при воздействии переменного и постоянного (на шаре – положительная полярность) напряжений фактически одинаковы для различных диаметров шара. При температуре масла 70 °С происходит упрочнение промежутка на переменном напряжении при всех исследованных диаметрах шара, причем отношение UПР,М / UПР,0 возрастает с изменением диаметра шара. Таким образом, неоднородность электрического поля оказывает большее влияние на пробивные напряжения масла при повышенных температурах, когда его вязкость существенно уменьшается, что в свою очередь заметно сказывается на поведении примесных частиц во внешнем электрическом поле.
Приведенные в табл.3.2 данные указывают на то, что по мере увлажнения масла и его загрязнения целлюлозными волокнами наблюдается упрочнение масла на переменном напряжении, причем отношение UПР,М / UПР,0 достигает значений 1,20 – 1,25.
Таблица 3.2. Отношение пробивных напряжений трансформаторного масла в слабо неоднородном поле при воздействии переменного (UПР,М) и постоянного (UПР,0) напряжений
| Вид трансформаторного масла | Отношение UПР,М / UПР,0 | |
| Технически чистое трансформаторное масло | 1,03 | |
| Масло увлажненное – cВ, г/т | 1,04 | |
| 1.08 | ||
| 1,20 | ||
| Масло содержащее целлюлозные волокна – с П, г/т | 0,24 | 1,10 |
| 1,20 | 1,18 | |
| 6,10 | 1,25 |
Из табл. 3.3 видно, что пробивное напряжение технически чистых жидких диэлектриков в области не очень высоких частот возрастает с увеличением частоты. По данным некоторых работ это увеличение пробивного напряжения уменьшается по мере возрастания степени очистки жидких диэлектриков. Однако исследования Вальдена и Инге показали, что для очищенного, перегнанного в вакууме ксилола пробивная напряженность при постоянном напряжении (0 Гц) равна 70 МВ/м, а при частоте 50 Гц – 100 МВ/м (UПР,М / UПР,0 = 1,43). Большинство экспериментальных данных все же подтверждают зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от частоты (в области невысоких частот), которая обусловлена влиянием примесей.
Таблица 3.3. Отношение пробивных напряжений жидких диэлектриков при воздействии напряжений различной частоты (UПР,М)
и постоянного (UПР,0)
| Частота, Гц | Отношение UПР,М / UПР,0 для различных жидких диэлектриков | |
| Трансформаторное масло | Гексан | |
| 1,36 | 1,4 | |
| 1,52 | 1,0 | |
| 1,72 | 1,5 | |
| 1,88 | 1,6 | |
| 1,5 | 1,0 |
При воздействии напряжений с высокой частотой обнаруживается снижение пробивного напряжения при переходе от нулевой частоты к высоким частотам (105 – 106 Гц) примерно на 30 %. При высоких частотах пробой жидких диэлектриков, по всей вероятности, имеет тепловой характер. Влияние примесей на пробивное напряжение при высоких частотах значительно меньше, чем при низких (табл. 3.4).
Таблица 3.4. Пробивное напряжение UПР (кВ) трансформаторного масла при различных частотах
| Частота, Гц | Увлажненное масло | Фильтрованное масло | Фильтрованное и сушеное масло |
| <100 | |||
| 4×105 |
Из табл. 3.4 видно, что очистка масла, приводящая к не менее чем троекратному увеличению пробивного напряжения при 50 Гц, увеличивает пробивное напряжение при частоте 4×105 Гц лишь на 30 %. Вместе с тем для хорошо очищенного масла пробивное напряжение при высокой частоте в 3.6 раза меньше, чем при 50 Гц.
Далее можно было бы предположить, что при воздействии очень коротких импульсов зависимость пробивной напряженности EПР жидких диэлектриков от длительности импульса должна в большей степени определяться природой самой жидкости. Однако эксперименты показывают, что для тщательно очищенного перегнанного в вакууме ксилола при частоте 50 Гц электрическая прочность EПР,П = 75 МВ/м, а при импульсах с длительностью 10-7 с – ЕПР,И = 150 МВ/м (коэффициент импульса ЕПР,И/ЕПР,П = 2). Таким образом, хотя пробивное напряжение чистого ксилола имеет сравнительно очень высокое значение, различие между пробивным напряжением его при кратковременных импульсах и при частоте 50 Гц все же очень велико. Следовательно, даже в случае технически хорошо очищенной жидкости потеря ее электрической прочности обусловлена сравнительно длительными вторичными процессами, сопровождающими возрастание тока в начальный момент времени, после чего происходит нарушение электрической прочности, связанное с изменением состояния жидкости (например, с переходом ее в газообразное состояние).
Вместе с тем для технического ксилола коэффициент импульса равен 7. В неоднородном поле возрастание пробивного напряжения с уменьшением длительности импульса заведомо меньше, чем в однородном поле. Так, для технически чистого трансформаторного масла коэффициент импульса не превышает 2 – 2,5.
В некоторых работах встречаются указания на то, что наличие большого количества примесей в жидкости может привести к возрастанию пробивного напряжения при увеличении степени неоднородности электрического поля. Так, например, относительно высокие значения пробивного напряжения сильно увлажненного трансформаторного масла можно получить в случае электродов с острыми краями. Эти повышенные значения пробивного напряжения иногда объясняют тем, что проводящие примеси или примеси с высокой диэлектрической проницаемостью перемещаются в области наибольшей напряженности поля и выравнивают распределение поля вблизи электродов.
Изменение формы электродов оказывает влияние на пробой жидкости. С увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение жидкого диэлектрика при неизменном расстоянии между электродами уменьшается. Однако экспериментальные данные не
|
| Рис. 3.6. Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами для трансформаторного масла |
дают возможности утверждать, что пробой жидкости происходит тогда, когда максимальная напряженность неоднородного поля достигает некоторого критического значения.
Увеличение расстояния между электродами приводит к увеличению пробивного напряжения. В неоднородных электрических полях при малых расстояниях между электродами наблюдается линейная зависимость (рис. 3.6).
| Рис. 3.7. Зависимость пробивного напряжения для технически чистого трансформаторного масла от расстояния между электродами острие-плоскость. 1,2 – постоянное напряжение, острие отрицательное и положительное; 3 – переменное напряжение частотой 50 Гц | 
|
При больших расстояниях между электродами зависимость пробивного напряжения от расстояния (рис. 3.7) является нелинейной. При этом результаты ряда работ показывают, что с увеличением межэлектродного расстояния отступление от пропорциональности между пробивным напряжением и этим расстоянием становится большим.
|
| Рис. 3.8. Зависимость пробивного напряжения для технически чистого трансформаторного масла от расстояния между электродами при переменном напряжении частотой 50 Гц. 1 – электроды шар диаметром 1,25 м – плоскость; 2 - острие - плоскость |
Экспериментальными исследованиями F. Koppelman показал, что на пробивное напряжение технически чистого жидкого диэлектрика заметное влияние оказывает форма кривой напряжения. Так, при разных формах кривой, для которых отношение амплитудного значения напряжения к эффективному сильно разнится (например, в 2 и 1.3 раза), неочищенное масло пробивается при одинаковых эффективных значениях напряжения, а очищенное при одинаковых амплитудных значениях. Здесь также следует отметить экспериментальные результаты (рис. 3.8), из которых следует, что при электродах острие плоскость трансформаторное масло пробивается при меньших значениях напряжения в случае воздействия переменного напряжения частотой 50Гц по сравнению с постоянным напряжением (рис. 3.7, кривая 2).
Общие признаки пробоя жидких