1.2.1.1. Вплив умов експлуатації на електричну міцність рідин

Вплив вологи і мікродомішок

Волога в рідкому діелектрику може перебувати в трьох станах: молекулярно-розчиненому, у вигляді емульсії (дрібні кульки води розміром 2...10…10 мкм) і водяного відстою на дні бака. Розчинність води в рідких діелектриках залежить від температури. Наприклад, у мінеральному маслі при 20 ºС може розчинятися ~ 40 × 10^–6 води по об’єму, а при 80 ºС – 400 × 10^–6.

Наявність вологи в обох станах позначається на електричній міцності масла, особливо в присутності волокон. Причому найбільше сильно впливає емульгована вода. Внаслідок великої діелектричної проникності (для води ( ɛ = 80, для волокон целюлози ( ɛ = 6,4) часточки вологи і волокна втягуються в область найбільшої напруженості електричного поля, поляризуються і витягаються уздовж силових ліній поля. Це приводить до утворення «містків», які збільшують локальну щільність струму, нагріванню, сильному збільшенню локальної напруженості поля в місцях розривів містків, іонізації й пробою всього міжелектродного проміжку.

Залежність пробивної напруженості трансформаторного масла від вмісту вологи (рис. 1.23) показує, що наявність 0,01 % ^{вологи зменшує електричну міцність масла в кілька разів.}

Рис. 1.23. Залежність електричної міцності масла від вмісту вологи: 1 – трансформаторне масло; 2 –вязке кабельне масло

Зниження електричної міцності в області малих концентрацій викликано впливом розчиненої вологи, а в області більших концентрацій - эмульгованої вологи. На рис. 1.23 показані зони розчинності вологи для масел з різною в'язкістю.

Наявність вологи й волокон слабко позначається на міцності рідких діелектриків при коротких імпульсах напруги (одиниці-десятки мікросекунд), оскільки частки домішок не встигають переміститися на значну відстань і вплинути на розвиток розряду в рідині.

Загальна кількість води, що може перебувати в маслі в молекулярно-розчиненому і емульгорованому виді, обмежено. При вмісті його більше 0,02 % волога коагулюється і випаде у вигляді відстою на дно. Хоча сам відстій і не впливає на електричну міцність, його поява свідчить про істотне погіршення ізоляційних властивостей масла.

Особливо різке зменшення розрядних напруг відбувається при наявності в маслі гігроскопічних забруднень у вигляді волокон паперу, картону, пряжі, значно полегшуючі утворення провідних містків. Ці забруднення з'являються в маслі при його фільтрації в процесі експлуатації з елементів твердої ізоляції, що перебувають у маслі.

Вплив тиску

Пробивна напруга як технічних, так й очищених рідких діелектриків при промисловій частоті 50 Гц залежить від тиску. Це пов'язане з наявністю і утворенням у рідині при високій напрузі пухирців газу, що є вогнищами розвитку пробою. А електрична міцність газу сильно збільшується з ростом тиску відповідно до правої вітки закону Пашена.

На рис. 1.24 представлені залежності пробивної напруги трансформаторного масла від тиску нижче атмосферного. При знижених тисках з масла починають виділятися розчинені в ньому гази, і його міцність різко падає (рис. 1.24, крива 1). Видно, що залежність пробивної напруги від тиску помітно збільшується з підвищенням ступеня очищення масла, що вказує на великий вплив газоподібних домішок.

При тиску вище атмосферного (рис. 1.25) електрична міцність масла збільшується, що також свідчить про наявність газу в маслі і його впливі на електричну міцність масла.

При імпульсних впливах тиск практично не позначається на електричній міцності рідких діелектриків.

Вплив температури

Для чистих сухих рідин значний вплив температури спостерігається в області інтенсивного випару й кипіння (рис. 1.26).

Для технічно чистих рідин з домішкою вологи залежність електричної міцності від температури досить складна. З рис. 1.26 видно, що має місце мінімум і максимум електричної міцності. Зниження температури від точки максимуму приводить до зменшення Е_пр до мінімуму, що пов'язане з переходом розчиненої вологи в емульгорований стан. Подальше зниження температури (< 0 ºС) викликає замерзання крапельок води і, як наслідок, підвищення Е_пр. В льоді діелектрична постійна e_Л приблизно дорівнює діелектричній постійній масла e_м (e_л » e_м), що зменшує вплив вологи на електричну міцність масла.

Зменшення електричної міцності для сухого і технічного мастил при температурі вище +80^оС обумовлено інтенсивним випаром і кипінням рідини.

Вплив часу впливу напруги

Електрична міцність рідких діелектриків істотно залежить від тривалості додатка напруги і від домішок. Чим більше домішок у рідині (вологи і волокон), тим менше пробивна напруга (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Повна вольт-секундна характеристика. Залежність пробивної напруги трансформаторного масла

Залежність U_пр = f(t) для технічного трансформаторного масла можна розбити на 2 області. Область I: волога і волокна не встигають переміститися і не впливають на електричну міцність. Різке збільшення електричної міцності при t < 10^–5 с пов'язане із запізнюванням розвитку розряду, коли час впливу напруги стає рівним із часом формування розряду. Область II: збільшення часу впливу напруги t > 10^–3 с приводить до зниження U_пр внаслідок впливу вологи і волокон, а також утворення газових бульбашок під дією нагрівання струмами провідності.

Вплив матеріалу, геометрії електродів,
відстані між ними і полярності напруги

Збільшення коефіцієнта неоднорідності поля, так само як і у газах, знижує пробивну напругу. Навіть незначне збільшення радіуса кривизни електродів у різконеоднорідних полях дає більш істотне збільшення U_пр у порівнянні з повітрям. Збільшення відстані між електродами S приводить до збільшення пробивної напруги (рис. 1.28). В узагальненому виді залежність пробивної напруги від відстані між електродами можна представити як

(1.50)

де А і n – постійні, залежні від властивостей діелектрика і умов пробою.

Рис. 1.28. Залежність пробивної напруги від відстані для трансформаторного масла, електроди вістря-площина:1 – стандартний імпульс, «негативне» вістря – площина; 2 – стандартний імпульс, «позитивне» вістря – площина; 3 – змінна напруга 50 Гц; 4 – постійна напруга, «негативне» вістря – площина; 5 – постійна напруга, «позитивне» вістря – площина

На величину пробивної напруги при незмінному S впливає площа електродів і обсяг рідини між електродами: збільшення площі електродів і обсягу рідини викликає зниження U_пр. Стан поверхні електродів впливає на електричну міцність Е_пр рідких діелектриків. Забруднення, окислювання і погане полірування поверхні електродів знижують Е_пр.

У міру збільшення відстані між електродами вплив матеріалу електродів зменшується і при відстані кілька міліметрів припиняється. Електрична міцність у малих проміжках залежить від висоти потенційного бар'єра для носіїв заряду на границі метал-діелектрик (роботи виходу електронів). Як треба з рис. 1.28, пробивна напруга залежить від полярності електрода-вістря при несиметричній системі електродів. Найбільш яскраво ця залежність проявляється для полярних рідин. Наприклад, для води збільшення U_пр при негативній полярності вістря досягає 2,0–2,5 рази в порівнянні з позитивною полярністю.

Бар'єрний ефект

Бар'єри із твердого ізоляційного матеріалу, установлені в маслі між електродами, широко застосовуються для підвищення електричної міцності масляної ізоляції. Збільшення Е_пр обумовлене двома факторами. Бар'єр непроникний для іонів рідини. Тому іони, рухаючись від одного електрода до іншого, осідають на бар'єрі, «розтікаються» по його поверхні і заряджають її. Завдяки цьому, електричне поле в проміжку вирівнюється, що приводить до збільшення пробивної напруги. Крім цього, бар'єр утруднює утворення суцільних провідних містків з волокнистих речовин, що перебувають у маслі. Дія бар'єрів більш ефективна в неоднорідних полях і при тривалому впливі напруги.

При короткочасних імпульсних впливах напруги бар'єри менш ефективні, чим на постійній і змінній напругах.

Бар'єр – плоский електрокартон товщиною 5 мм. Пробивна напруга масляного проміжку без бар'єра дорівнює 1. Наявність бар'єра приводить до збільшення пробивної напруги. Максимальний ефект відповідає відстані до бар'єра S_б ≈ 0,25 S, що добре корелює з аналогічним ефектом для газу і твердих діелектриків.

Маслобар’єрна ізоляція широко застосовується у високовольтній техніці при виготовленні трансформаторів, вводів, реакторів і т.п.