Доклад по теме определение электрической прочности жидких диэлектриков

Обновлено: 04.07.2024

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

Толщины изоляции;
Диэлектрической проницаемости;
Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
Тип диэлектрика;
Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика	Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая	60 – 90
Бумага, пропитанная маслом	100 – 250
Воздух	30
Масло трансформаторное	50 – 180
Миканит	150 – 300
Мрамор	35 – 55
Парафин	150 – 300
Электрокартон сухой	80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом	120 – 170
Слюда мусковитая	1200 – 2000
Слюда флогопит	600 – 1250
Стекло	100 – 400
Фибра	40 – 110
Фарфор	180 – 250
Шифер	15 – 30
Эбонит	80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Тема: Определение электрической прочности жидких диэлектриков.

Цель работы: Ознакомление с методами испытания жидких диэлектриков, определение пригодности испытываемой жидкости для применения в высоковольтных аппаратах путём сравнения опытных данных с характеристиками жидких диэлектриков, приведенных в ГОСТе.

Приборы и оборудование

Для испытания электроизоляционных жидкостей и, в частности, трансформаторного масла, на электрическую прочность применяем аппарат АКИ 70.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема аппарата АКИ 70 для определения электрической прочности трансформаторного масла

1 – испытательный высоковольтный трансформатор;

2 - сосуд с электродами;

3 - переключатель уставок реле тока, где а - грубо, б - чувствительно;

4 - блок контакты крышки аппарата АКИ 70;

5 - потенциал регулятор;

6 - автоматический выключатель типа АП 50-3МТ.

Испытания производят в специальном фарфоровом сосуде 2 (рисунок 2), заполненном испытываемым маслом 3 и содержащим два латунных электрода 1. Электроды для испытания жидких диэлектриков изготовляют диаметром 25 мм и толщиной 8 мм. Кромки дисков имеют радиус закругления 2 мм. Расстояние между электродами устанавливают, вращая их; проверяют его щупом для измерения зазора. Потемневшие при работе электроды перед испытанием полируют замшей.

Рисунок 2. Сосуд с электродами для определения электрической прочности жидких диэлектриков.

Результаты измерений и вычислений

Таблица 1 – Результаты испытаний и расчётов электрической прочности трансформаторного масла

Наименование жидкого диэлектрика

Результаты измерений

Результаты вычислений

Чистое трансформаторное масло при температуре окружающей среды t=20C

Трансформаторное масло с водой при температуре окружающей среды t=20C

Чистое трансформаторное масло при температуре t=90C

В ходе вычислений были использованы следующие формулы.

Среднее значение пробивного эффективного напряжения:

Среднее значение максимального (амплитудного) напряжения:

Вывод: в ходе данной лабораторной работы были подтверждены теоретические положения, касающиеся пробоя жидких диэлектриков (в данной работе диэлектрик - трансформаторное масло). При сравнении пробивного напряжения чистого трансформаторного масла и трансформаторного масла с водой наблюдается резкое снижение пробивного напряжения последнего по сравнению с чистым маслом, т.е. наличие воды ухудшает его электроизоляционные свойства. Однако, в опыте, где масло было нагрето до 90C, его пробивное напряжение оставалось неизменным. Это говорит о том, что данное масло хорошего качества, нагрев на свойства трансформаторного масла не влияет.

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Контроль качества и определение свойств материалов

. . Электрическая прочность Определение стойкости диэлектриков к поверхностным разрядам Определение дугостойкости при высоком переменном напряжении Определение трекингостойкости Определение внутреннего .

Особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков

. длительности приложенного напряжения; электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика; электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты .

Проводники, полупроводники и диэлектрики

. 3.1. Основные определения и классификация диэлектриков Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества . ; электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика; электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается .

Проводники и полупроводники

. используют для определения значения приложенного напряжения. Электрическая прочность газа в . электрической прочности жидких диэлектриков. Очистка жидких диэлектриков от примесей значительно повышает электрическую прочность. Пробой твердых диэлектриков. .

1. Основные определения и классификация диэлектриков.

2. Электропроводность твердых диэлектриков.

3. Электропроводность жидких диэлектриков

4. Электропроводность газообразных диэлектриков.

Основные определения и классификация диэлектриков

Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах.

Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.).

Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических изоляционных материалов.

Многочисленную группу твердых диэлектриков обычно делят на ряд подгрупп в зависимости от их состава, структуры и технологических особенностей этих материалов. Так, выделяют керамические диэлектрики, воскообразные, пленочные, минеральные и др.

Все диэлектрики, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью. В отличии от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем вследствие спадания тока абсорбции. С некоторого момента под воздействием постоянного тока в диэлектрике устанавливается только ток проводимости. Величина последнего определяет проводимость диэлектрика.

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Eпр.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения;

электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин 10־− 10־ см);

электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: 10–10 В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя;

перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока;

при наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщина диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительное количество тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине – по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду;

пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды;

пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения;

электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика;

электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового про

Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков, наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или о дефектах решетки.

Согласно Я. И. Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузелия). При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, т.е. к диффузии. Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Эйнштейна

μ / D = q / kT (2.9)

где μ - подвижность, q - заряд, k - постоянная Больцмана, Т - температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле при комнатной температуре, очень малы, не более 10 -5 см 2 /с, а подвижность 10 - 4 см 2 /B•с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na + , К + , Н + , роль которых велика уже при комнатной температуре. К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся также ионы Cu + , Au + , Ag + . Для таких ионов D = 10 - 5 -10 -7 см 2 /с, μ = 10 - 2 -10 -4 см 2 /В•с.

Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов - по Шоттки, при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов и катионов из нормальных узлов решетки, и помещений их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствие переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры

γ = q n μ  γ₀ exp(-W_a / kT) (2.10)

где W_a = W/2+U , a W = W_f или W = W_δ - энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U - энергия активации перемещения ионов, меньшая W .

рис. 2.2

В координатах lnγ = f(1/T ) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости (рис. 2.2). В этом случае зависимость γ от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным W_a1 = 1,7-2,2 эВ . В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон. Обычно W_a1 / W_a2  1/2 , a γ₁ /γ₂  10 -5 . Следует отметить, что W_a2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Электропроводность жидких диэлектриков.

В жидких диэлектриках бывают два основных механизма электропроводности:

ионный и молионный. Ионная электропроводность определяется диссоциацией молекул жидкости, а также различных примесей или загрязнений, которые часто встречаются на практике, так как жидкости легко загрязняются. В технически чистых жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные примеси, обычно легче диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому проводимость в них сильно зависит от чистоты жидкости: на собственную проводимость диэлектрика накладывается примесная проводимость. В зависимости от природы жидкого диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие примеси. Например, нефтяному электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые органические кислоты; само масло является химически нейтральным углеводородом. Эти кислоты благодаря лёгкой диссоциации заметно повышают удельную проводимость масла. Загрязнением в жидком диэлектрике, в частности в том же масле, является и вода, попадающая в него непосредственно из атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности масла.

Вода в жидком диэлектрике может быть в трёх состояниях:

б) в виде эмульсии, то есть в виде мельчайших капель, находящихся в жидком диэлектрике во взвешенном состоянии;

в) в виде избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии, выпадающей из неё. Избыточная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность меньше 1000 кг/м 3 (например, нефтяное масло), или всплывает на его поверхности, если плотность диэлектрика больше 1000 кг/м 3

(например, хлорированный дифенил – совол).

Лёд обычно всплывает на поверхность трансформаторного масла.

Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры за счёт изменения растворяющей способности диэлектрика.

При повышении температуры растворяющая способность увеличивается и

эмульсионная вода полностью или частично переходит в молекулярно растворённое состояние, а избыточная вода – в эмульсионное в зависимости от значения температуры. При понижении температуры происходит обратный процесс. При длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило, отличаются большой активностью, поэтому полярные жидкости легче смешиваются с различными примесями и загрязнениями.

Например: молекулярная растворимость воды в масле очень мала вследствие очень большой разницы между размерами молекул воды и масла. Межмолекулярные силы взаимодействия в этом случае препятствуют смешению масла и воды. Количество воды, поглощаемое маслом из воздуха до равновесного состояния, пропорционально относительной влажности воздуха. Скорость насыщения любой жидкости влагой, поглощаемой из атмосферного воздуха, увеличивается с увеличением поверхности соприкосновения. При наличии в нефтяном масле полярных примесей его гигроскопичность повышается, поэтому у окислившихся масел с повышенным кислотным числом влагопоглощение больше, сем у свежих.

Известно, что в составе жидких углеводородов могут быть молекулы разной структуры, что также сказывается на гигроскопичности. В частности масло со значительным содержанием ароматических углеводородов отличается повышенной гигроскопичностью.

Жидким загрязнением может быть не только вода, но и какая – либо другая посторонняя жидкость.

Остановимся на растворимости в масле различных газов. Жидкие диэлектрики в обычных условиях всегда содержат растворённый газ; в частности, большой способностью к растворению газов отличается нефтяное масло. Разные газы по–разному растворяются в жидкости. Эта их способность обычно определяется в процентах по объёму (коэффициент растворимости). Для примера ниже приведены значения коэффициента растворимости в масле для некоторых газов: воздух 9.4; азот 8.6;

кислород 16; углекислый газ 120; водород 7.

Благодаря этому состав воздуха, растворённого в масле, отличается от состава атмосферного воздуха. Обычно атмосферный воздух содержи 78% азота и 21% кислорода (по объёму), а в масле соотношение их будет таким: 69.8% азота и 30.2% кислорода.

Изменение температуры по – разному влияет на растворимость газов в масле. Например, при повышении температуры от 20 до 80 0 С растворимость

водорода и азота увеличивается, кислорода несколько понижается, а углекислого газа резко падает.

Рассмотри ионную электропроводность жидких диэлектриков как основной её вид. Собственная ионная проводимость зависит от способности молекул к диссоциации. Легче диссоциируют молекулы, обладающие чисто ионными связями, так называемые гетерополярные. Диссоциация молекул жидкости происходит и без воздействия электрического поля; установлено, что отношение количества диссоциированных молекул в данном объёме жидкостей к их общему количеству, называемое степенью диссоциации, зависит от относительной диэлектрической проницаемости жидкости.

В соответствии с этим правилом полярные жидкости, имеющие большую диэлектрическую проницаемость, имеют повышенную степень диссоциации и повышенную собственную проводимость.

У жидкостей неполярных, например нефтяного электроизоляционного масла, собственная проводимость очень мала из за слабой способности молекул углеводородов к диссоциации.

У таких жидкостей электропроводность в основном носит примесный характер, а проводимость зависит как от свойств примеси, так и от её содержания в диэлектрике. Полярные жидкости особенно чувствительны к примесям. Это объясняется тем, что степень диссоциации молекул примесей в жидкости с большой относительной диэлектрической проницаемостью выше, чем в жидкости с малой диэлектрической проницаемостью. В связи с такой особенностью полярных жидкостью у них часто бывает затруднительно отделить собственную проводимость от примесной.

Рассмотрим закономерности молионной электропроводности. При помощи современных оптических микроскопов с большой разрешающей способностью в жидкости можно обнаружить коллоидные частицы разного происхождения и проследить за характером их движения в электрическом поле. Коллоидные частицы переносятся электрическим полем к электроду определённого знака (при определённом напряжении). Для коллоидных частиц примесной жидкости знак заряда частицы зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей основной жидкости и примесей. Если относительная диэлектрическая проницаемость примеси меньше, чем основной жидкости, то частицы примеси заряжаются отрицательно, в противном случае – положительно. В случае неоднородного электрического поля коллоидные частицы стремятся в зону максимальной напряжённости электрического поля, к электроду соответствующего знака, вследствие этого концентрация загрязнений здесь сильно повышается за

счёт известного снижения её в других зонах. Вообще при молионной

электропроводности со временем частицы загрязнений сосредоточиваются у

электродов, и таким образом происходит очистка жидкостей от загрязнений. При переменном напряжении вследствие непрерывного изменения направления движения коллоидных частиц эффект очистки от них не наблюдается. Вследствие эффекта очистки с течением времени после включения постоянного напряжения удельное сопротивление жидкости увеличивается.

Электропроводность газообразных диэлектриков

В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и др. излучения. Часть нейтральных молекул газа при этом распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света. На длине свободного пробега ионы получают от электрического поля дополнительную скорость. Достигая противоположно заряженных электродов, носители зарядов нейтрализуются на них, и в цепи возникает электрический ток.

рис. 2.1

Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (до 10 6 В/м) приведена на рис. 2.1. На участке оав приближенно соблюдается закон Ома j = γ • Е , так как концентрация носителей заряда сохраняет постоянное значение вследствие равновесия между процессами ионизации и рекомбинации, и распределеие потенциала линейно. Закон Ома выполняется в очень слабых полях до значений Е  1 В/м при этом γ  10 -13 Oм -1 м -1 (для нормальных атмосферных условий при расстоянии между электродами h = 1 см). На участке вс (насыщение) скорость носителей заряда достигает значений, при которых они не успевают рекомбинировать и почти все достигают электродов (j_нас 10 -3 А/м 2 ). В постоянном поле в этом случае накапливается объемный заряд - положительный у катода, отрицательный у анода. Разряд на участке оавс называют несамостоятельным . На участке с d начинается ударная ионизация молекул электронами. Эта область сильных полей (для воздуха E 10 6 В/м) связана с самостоятельным разрядом. При напряженности E_пр газ пробивается (самостоятельный разряд).

Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной степени зависит от наличия примесей и влаги. Поэтому трансформаторное масло, служащее для заливки трансформаторных баков и изоляторов, должно тщательно очищаться от примесей и влаги. [1]

Электрическая прочность жидких диэлектриков более высока при работе в импульсном режиме или даже при работе с кратковременным включением источника звука ( манипуляционный режим), что позволяет получить при прочих равных условиях большие интенсивности ультра-авука. Эти режимы более благоприятны также тем, что не возникает кавитация в жидком диэлектрике ( см. гл. Электрический пробой приводит, как правило, к местному сильному разогреву и в результате этого к растрескиванию кварцевой пластины. [2]

Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной степени зависит от наличия в них примесей воды, газа, мельчайших механических частиц. Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Ч-250 кВ / см. Электрическая прочность очищенного трансформаторного масла практически не зависит от температуры до 80 С, а затем начинает несколько понижаться. [4]

Электрическая прочность жидких диэлектриков обнаруживает тенденцию к снижению по мере увеличения их полярности. [5]

Электрическая прочность жидких диэлектриков в однородном поле большая, чем в неоднородном. Под действием короны происходят процессы интенсивного разложения жидкости, в результате которых образуются продукты, резко снижающие ее электрическую прочность. Например, при разложении нефтяных масел образуются горючие газы и сажа. Если коронный разряд переходит в дуговой, то процессы разложения резко ускоряются. [7]

Электрическая прочность хорошо очищенных жидких диэлектриков значительно превосходит прочность газов и приближается к прочности твердых диэлектриков. Для ряда жидкостей она достигает 1000 ке / см. Загрязнения сильно снижают прочность жидких диэлектриков. Например, для минерального масла в равномерном поле пробивная напряженность может изменяться от 500 до 30 кв / см. Из примесей наиболее сильно влияют полярные вещества и прежде всего влага, особенно в присутствии ьолокон целлюлозы. [9]

На электрическую прочность жидких диэлектриков сильно влияют влага, газы, механические и химические примеси. Примеси значительно осложняют механизм пробоя жидких диэлектриков. Существует механизм пробоя жидких диэлектриков. [10]

На электрическую прочность жидких диэлектриков влияют влага, газы, механические и химические примеси. Примеси значительно осложняют механизм пробоя жидких диэлектриков. Для объяснения механизма пробоя жидких диэлектриков предложено несколько теорий, по которым пробой связывают с перегревом жидкости и разрушением ее молекул. [11]

Вследствие этого электрическая прочность жидкого диэлектрика , в частности трансформаторного масла, возрастает до некоторого максимума, после чего падает. При снижении температуры при условии, когда вода не успевает испариться из масла, электрическая прочность изменяется по той же кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электрическая прочность не обнаруживает максимума при повышенной температуре. [13]

С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается. В силу особенностей пробоя технически чистых жидких диэлектриков электрическая прочность их мало зависит от химической природы, а по существу характеризует степень чистоты. Обычно она лежит в пределах 100 - 200 кв / см. У жидкостей, особо тщательно очищенных, электрическая прочность достигает значений порядка 1 000 кв / см. В таких сильных электрических полях может иметь место выход электронов из катода, осложняющий картину пробоя. У сверхчистых дегазированных жидкостей пробой, очевидно, происходит за счет ударной ионизации электронами, вырванными полем из катода. В связи с исключительно большими трудностями сохранения высокой степени чистоты жидких диэлектриков особо тщательно очищенные жидкости не имеют промышленного значения. [14]

С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается. В силу особенностей пробоя технически чистых жидких диэлектриков электрическая прочность их мало зависит от химической природы, а по существу характеризует степень чистоты. Обычно она лежит в пределах 100 - 200 кв / см. У жидкостей, особо тщательно очищенных, электрическая прочность достигает значений порядка 1 000 / се / ел. В таких сильных электрических полях может иметь место выход электронов из катода, осложняющий картину пробоя. У сверхчистых дегазированных жидкостей пробой, очевидно, происходит за счет ударной ионизации электронами, вырванными полем из катода. В связи с исключительно большими трудностями сохранения высокой степени чистоты жидких диэлектриков особо тщательно очищенные жидкости не имеют промышленного значения. [15]

6. Жидкие диэлектрики

Общие сведения

Наиболее широкое распространение в электротехнических устройствах получили нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла и синтетические жидкости.

Они выполняют функцию изолирующей, охлаждающей и дугогасящей среды и применяются как в чистом виде, так и в сочетании с волокнистыми и твёрдыми материалами, например, бумажно-масляная или маслобарьерная изоляция.

Поэтому при выборе изолирующей жидкости необходимо соблюдать следующие требования:

совместимость с применяемыми материалами;
высокая электрическая прочность;
высокое удельное сопротивление;
малые диэлектрические потери;
стабильность свойств в условиях длительной эксплуатации;
пожарная и экологическая безопасность.

Не все жидкие диэлектрики удовлетворяют этим требованиям, поэтому в каждом конкретном случае предпочтение отдаётся тем свойствам, которые обеспечивают необходимую стабильность параметров, надёжность и долговечность изделия.

Минеральные (нефтяные) масла.

К этой группе относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.

Трансформаторное масло находит наибольшее применение в электротехнике. Его получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очисткой от химически нестойких примесей. Назначение трансформаторного масла двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Ещё одна важная область применения трансформаторного масла – масляные выключатели высокого напряжения. В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токопроводящие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу, которая возникает между контактами срабатывающего выключателя. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём дополнительной обработки под вакуумом с целью удаления воздуха (газов). К параметрам конденсаторного масла предъявляются повышенные требования, так как в процессе эксплуатации невозможно производить замену или регенерацию масла, и диэлектрические свойства его должны сохраняться в течение всего срока службы.

Пропитка изоляции конденсаторов маслом с высоким значением электрической прочности позволяет уменьшить толщину изоляции и увеличить коэффициент диэлектрической проницаемости изоляции, что сокращает массогабаритные показатели конденсаторов при тех же значениях ёмкости. Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь снижает потери, а следовательно, и нагрев изоляции и позволяет увеличить срок службы.

В конденсаторном масле не допускается содержание газов, так как в газовых включениях при высокой напряжённости электрического поля интенсивно развиваются ионизационные процессы, что может привести к пробою изоляции.

К кабельным маслам, как и к конденсаторному маслу, предъявляются высокие требования касательно стабильности и численного значения параметров, так как изоляция должна обеспечить длительный срок службы.

Однако есть и специфические требования, зависящие от конструкции изоляции и величины напряжения.

В маслонаполненных кабелях напряжением 110 кВ и выше токоведущие жилы выполняют в виде толстых труб, свитых из круглых или сегментных проводов. Внутрь этих труб подается масло под давлением. Проникая сквозь зазоры между проводами, масло пропитывает бумажную изоляцию. В кабелях, проложенных в стальных трубах, оно омывает внешнюю поверхность изоляции (здесь применяют менее вязкие масла).

В настоящее время во многих странах производство кабелей с БМИ прекращено. На смену им пришли кабели с твердой изоляцией на основе полиэтилена и других материалов. Твердая изоляция обладает более высокими электрическими свойствами, что позволяет уменьшить толщину изоляции (диаметр кабеля), увеличить строительную длину, токовые нагрузки и допустимую рабочую температуру и, главным образом, упростить процесс изготовления кабелей, их прокладку, разделку и эксплуатацию.

Все масла в процессе эксплуатации находятся под воздействием внешних факторов. Это вызывает старение масла.

Скорость старения масла возрастает:

- при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идёт старение при соприкосновении масла с озоном;

- при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95º С);

- при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец) и другими веществами – катализаторами старения;

- при воздействии света;

- при воздействии электрического поля.

Для восстановления свойств масла используют несколько способов:

- пропускают под давлением сквозь фильтрованную бумагу в специальных установках;

- воздействуют на масло центробежной силой в центрифуге;

- распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом.

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики нашли широкое применение в последние 50 лет. Главное их достоинство, по сравнению с нефтяными растительными жидкостями, − более высокая термостойкость, негорючесть и стабильность параметров. К ним относятся хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фторорганические жидкости.

Хлорированные углеводороды получают из углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или всех) атомов водорода атомами хлора. Их достоинства − повышенное значение диэлектрической проницаемости, по сравнению с нефтяными маслами, и негорючесть. Поэтому они широко используются для пропитки силовых конденсаторов.

Недостатки хлорированных углеводородов: повышенная токсичность, зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от температуры и др. В настоящее время в некоторых странах их применение запрещено законом.

Кремнийорганические жидкости (силиконы (силоксаны)) − это продукт синтеза кремнистых и углеводородных соединений. Все кремнийорганические жидкости обладают высокими электроизоляционными свойствами, мало зависящими от напряжения, температуры, влажности окружающей среды, стойки к радиационному излучению.

Недостаток – высокая стоимость.

Фторорганические жидкости – это продукт синтеза углеводородов, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора. Способ получения фторорганических жидкостей сложный и требует дорогих исходных материалов и реактивов, что определяет их высокую стоимость и ограниченное применение.

Особенности: высокая термостойкость, хорошие теплопроводящие свойства, высокая электрическая прочность, малая вязкость. Не горючи, дугостойки, могут работать при температуре 200ºС и выше.

Однако эти жидкости летучи, поэтому применяются в герметизированных конструкциях.

Некоторые из этих жидкостей находят применение в холодильных установках в качестве хладогенов.

Читайте также: