Зависимость коэффициента к от абсолютной влажности воздуха

Как отмечалось в методических указаниях к задаче 1. ное напряжение внутренней изоляции зависит от времени приложения напряжения. Вид этой зависимости имеет сложный характер, так как при разных временах процессы в изоляции, приводяцие к пробою, имеют различную физическую природу. Следует отметить, что при любом значении времени пробивное напряжение - величина случайная имеющая определенное поле разброса, что объясняется природой про­цессов при пробое и наличием неконтролируемых случайных различий между однотипными изоляционными конструкциями.

Характерная форма зависимости пробивного напряжения внутрен­ней изоляции U_пр от времени приложения напряжения х показана на рис. 2. Зависимость может быть разделена на несколько участков, характерных физической природой процессов пробоя, На рис. 2 границы этих участков указаны ориентировочно и зависят от размеров, свойств и условий работы изоляции.

Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени приложения напряжения

Участок 1 зависимости - зона чисто электрического пробоя. Он охватывает диапазон порядка 10 ^-6...10 ^-2 с (от несколь­ких микросекунд до нескольких миллисекунд). Электрический пробой связан с процессом образования и увеличения числа свободных электронов, вследствие чего возникает концентрированный поток электронов и в изоляции образуется проводящий канал. В начальной области этого участка пробивное напряжение увеличивается с уменьшением х, что связано с необходимостью обеспечения определенной скорости движения электронов для возникновения пробоя. При време­нах более 10^м пробивное напряжение остается практически неизмен­ным, так как время много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не проявляются.

Участок 2 {диапазон времени 10 ^-2...10 ²- от сотых долей се­кунды до десятков секунд) характерен для изоляции с наличием жидкого диэлектрика. Здесь наблюдается снижение электрической прочности при увеличении т, что связано с образованием проводящих мостиков из примесей.

Следующий участок 3 - область теплового пробоя, который свя­зан с нарушением тепловой устойчивости изоляции. Этот участок ох­ватывает диапазон времени 10²..10 ⁴ {от десятков секунд до нес­кольких часов).

Наконец, последний участок 4 зависимости - элект­рическое старение изоляции, то есть необратимое ухудшение диэ­лектрических свойств под действием электрических полей. Процессы электрического старения могут протекать от нескольких часов до 10-15 лет и более.

Задача обеспечения длительной электрической прочности внут­ренней изоляции в процессе старения, то есть требуемого срока ее службы, является одной из наиболее сложных. Это связано с тем, что прямым экспериментом нельзя определить ход зависимости и_пр = Их) в области больших времен, так как для этого потребовались бы десятилетия. Поэтому при решении данной задачи используются косвенные методы, основанные на измерении истенсивности про­цессов, вызывающих старение.

Причиной старения внутренней изоляции могут быть воздействия различной физической природы. В основном это электрические, теп­ловые и механические нагрузки. Соответственно различают электри­ческое, тепловое и механическое старение внутренней изоляции. Кроме того, старение может быть обусловлено проникновением заг­рязнений, увлажнением изоляции.

В данной задаче контрольной работы производится расчет срока службы внутренней изоляции с учетом электрического и теплового старения.

Основной причиной электрического старения внутренней изоля­ции являются частичные разряды. Частичными разрядами называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляци­онного промежутка.

Частичные разряды возникают в ослабленных местах изоляции, например в газовых включениях или в местах резкого усиления электрического поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как в этом случае они возникают при меньших напряжениях, чем в жидких и твердых компонентах изо­ляции.

Темпы электрического старения возрастают с увеличением при­ложенного к изоляции напряжения, а сроки службы соответственно уменьшаются. При этом зависимость срока службы т от величины на­пряжения может иметь сложный характер.

Экспериментальные исследования показали, что для относитель­но небольшого времени (до 10 ³...10⁴ час) график зависимости сред­него срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения = f(U), построенный б двойном логарифмическом масштабе, то есть , имеет вид прямой линии (рис.3). Установлено также, что в области больших времен по мере снижения напряжения сроки службы увеличиваются быстрее, чем по указанной зависимости, а ни­же некоторого уровня напряжения становятся неограниченно длитель­ными, что также иллюстрируется графиком на рис.3. Этот уровень является напряжением появления в изоляции частичных разрядов.

Рис. 3. Зависимость среднего срока службы внутренней

изоляции от приложенного напряжения

Такому ходу зависимости = f(U) качественно соответствует выражение

где U_чр - напряжение появления в изоляции частичных разрядов, кВ;

А - постоянная, зависящая от свойств изоляции, в расче­тах при решении задачи 2 контрольной работы следует принять типичное для твердой изоляции при нормаль­ных условиях значение А = 6-10⁹ год/(кВ)^п;

п - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напря­жения; в большинстве видов изоляции при напряжении промышленной частоты п = 4...8, в контрольной рабо­те принять п = 6.

Как уже отмечалось, между любыми однотипными изоляционными конструкциями существуют неконтролируемые случайные различия, по­этому при заданных условиях эксплуатации срок службы изоляционной конструкции есть величина случайная и приведенное выражение да­ется среднее значение. Следует отметить, что разбросы величины срока службы изоляции относительно среднего значения могут быть значительными.

Для расчета среднего срока служба изоляции по приведенной выше формуле необходимо знать напряжение возникновения частичных разрядов U_чр. Для его определения изоляцию с газовым включением условно изобразим в виде рис. 4. На этом рисунке d - толщина слоя внутренней изоляции, - толщина газового включения, в котором могут возникать частичные разряды. Схема замещения для случая пе­ременного напряжения может быть представлена, как показано на рис. 5. где С_В - емкость газового включения, С_\Б - емкость участка изоляции, расположенного последовательно с газовым включением, С_в - емкость остальной части изоляции, ИР - искровой разрядник, ими­тирующий пробой газового включения, R -- сопротивление канала час­тичных разрядов в газовом включении.

Рис. 4. Изоляция с газовым включением

Рис. 5. Схема замещения изоляции с газовым включением

Для расчета величин С₆ и С_в можно воспользоваться формулой для емкости плоского конденсатора. Тогда получим:

;

где S_В - площадь сечения газового включения, перпендикулярного силовым линиям электричес­кого поля;

и , - относительные диэлектрические проницаемос­ти соответственно заполняющей включение среды и изоляции; Ф/м - электрическая постоянная...

При приложении к изоляции переменного напряжения частичные разряды будут возникать, если амплитуда напряжения на емкости С_в будет больше пробивного напряжения газового включения (разрядника ИР по схеме рис. 5) U_B!ip. Это условие соблюдается, если величина напряжения на изоляции (действующее значение) будет равна:

После подстановки выражений для емкостей С_й и С_в и упрощений с учетом того, что , получим:

Данная формула имеет место для изоляции с однородным элект­рическим полем. Более характерным является случай с неоднородным полем во внутренней изоляции. Очевидно, что тогда наименьшая ве­личина напряжения U_чр будет, если газовое включение находится в области наибольшей напряженности электрического поля. Эта величи­на будет равна:

где К_н - коэффициент неоднородности электрического поля в изоля ции, равный отношению максимальной напряженности средней напряженности поля.

При._ малых размерах газовых включений, что имеет место на практике, пробивное напряжение U_внр слабо зависит от размеров включения и равно для воздуха примерно ЗО0 В.

Так как размеры газового включения и место его расположения в изоляции случайны, то для однотипных изоляционных конструкций будут иметь место значительные разбросы напряжения U_чр.

Тепловое старение изоляции есть следствие возникновения или ускорения химических реакций в диэлектрических материалах при по­вышении температуры. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие к ухуд­шению свойств изоляций в целом.

Влияние нагревания на различные изоляционные материалы раз­лично. Однако для твердых диэлектриков характерным является снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием меха­нических нагрузок и затем уже к пробою.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций. Для практики можно принять, что срок службы изоляции обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции при различных температурах будет равно:

и to - сроки службы соответственно при температурах Т₁ и Т_о; -- повышение температуры, вызывающее сокращение сро­ка службы изоляции при тепловом сохранении в 2 раза.

Данное выражение является следствием известного из химии уравнения Аррениуоа при указанном допущении. Значение для раз­ных используемых в технике видов внутренней изоляций лежит в пре­делах от 8 до 12°С и в среднем составляет 10°С. Это среднее зна­чение следует принять для расчетов в контрольной работе. Исполь­зуя приведенное выражение можно, зная срок службы изоляции при нормальной температуре, определить срок службы при любой темпе­ратуре.

Приведенное выражение для сроков служба изоляции при тепло­вом старении дает достаточную для практики точность. В то же вре­мя вследствие сложности химических процессов и влияния на них большого числа факторов строгий расчет сроков службы внутренней изоляции при тепловом старении затруднителен.

Порядок оформления задачи

1. Расчет появления в изоляции частичных разрядов U_пр.

2. Расчет среднего срока службы изоляции при нормальной тем­пературе т₀-

3. Расчет зависимости среднего срока службы изоляции от тем­пературы т - f(t). Расчет произвести в диапазоне температур от 20 до 50°С с шагом 10°С.

4. Построение графика зависимости - f{t).

Задача № 3. Методы профилактического контроля внутренней изоляции высоковольтного оборудования по абсорбционным явлениям и по тангенсу угла диэлектрических потерь

Условие задачи и исходные данные. Внутренняя изоляция высоковольтного оборудования состоит из двух слоев имеющих в установившемся режиме соответственно сопротивление утечкиR₁, R₂ и емкости слоев С₁ и С₂.

Требуется по характеру изменения тока абсорбции и значению сопротивления изоляции в исходном состоянии изоляции и при уменьшении сопротивления первого слоя в 100 раз (0,01R¹) дать заключение о качестве изоляции и определить допустимость степени увлажнения.

Тангенс угла диэлектрических потерь при температуре

Т₀=20⁰С равен— tgδ₀; коэффициент, характеризующий температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, равен – α.

Требуется рассчитать и построить графики зависимости тангенса диэлектрических потерь и мощности потерь в диэлектрике при изменении температуры от 200С до 1000С и приложении переменного напряжения U = 10 кВ с частотой 50 Гц.

Значения всех переменных параметров для соответствующих

вариантов приведены в табл. 4.1Т аблица 4.1

Примечание. Например, при цифре шифра 1 сопротивление

R₁ = 110•10⁶ Ом.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧИ № 3

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе эксплуатации высоковольтного оборудования из-за перегрева, увлажнения, механических повреждений и перенапряжений происходит общее старение изоляции. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты. Постепенно развиваясь, эти дефекты способны настолько снизить пробивное или разрядное напряжение, что изоляция может не выдержать перенапряжений, время от времени появляющихся в электрических системах, или даже рабочего напряжения [1; 2; 9; 10].

В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены путем простого осмотра изоляции и для их выявления необходимы специальные методы испытаний, которые называются профилактическими.

Группа профилактических методов контроля изоляции, при которых используются по сравнению с рабочими малые напряжения и различные косвенные способы оценки характеристик изоляции называется неразрушающие испытания. Другую группу испытаний с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте, называют разрушающими испытаниями.

Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов и применяются различные методы профилактических испытаний. Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами и ведомственными инструкциями для каждого вида электрооборудования.

Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды (ЧР). ЧР возникают в газовых включениях или прослойках жидкого диэлектрика. Скорость разрушения изоляции зависит от интенсивности ЧР. Регистрация интенсивности ЧР во время эксплуатации высоковольтного оборудования и в лабораторных условиях проводится с помощью электрических, оптических и ультразвуковых методов.

Проникновение в изоляцию из окружающей среды влаги, различных примесей и кислорода значительно ускоряют процессы старения изоляции.

При неразрушающих методах испытаний для оценки качества изоляции используются измерения характера изменения характеристик диэлектриков во времени, от частоты испытательного напряжения и от температуры.

В качестве внутренней изоляции высоковольтного оборудования очень часто применяются комбинации диэлектриков, сочетание которых позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. В частности, очень большое распространение получила слоистая изоляция, в состав которой входят пропитанные маслами волокнистые материалы типа бумаги (кабели, конденсаторы, трансформаторы и др.).

Ухудшение качества слоистой изоляции в большинстве случаев происходит путем более или менее однородного изменения свойств одного из слоев, тогда как характеристика других слоев остаются практически неизменными. Это приводит к изменению неоднородности изоляции. По характеру этого изменения можно судить о состоянии изоляции.

В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своей удельной

Рис. 4.1. Модель двухслойного диэлектрика

проводимостью слоев γ и диэлектрической проницаемостью ε. Модель двухслойного диэлектрика представлена на рис. 4.1.

Для анализа процессов в модели двухслойной изоляции можно использовать схемы замещения, показанные на рис. 4.2. В схеме на рис. 4.2, а сопротивление утечки первого и второго слоев в уста

вившемся режиме соответственно равны:

R₁ = d₁ / γ₁ S и R₂ = d₂ / γ₂ S, (4.1)

а емкости этих слоев равны

С₁ = ε₀ ε₁ S / d₁ и С₂ = ε₀ ε₂ S / d₂. (4.2)

Здесь γ₁ и γ₂ – удельные проводимости слоев;

ε₀ = 8,85•10^–12 Ф/м — электрическая постоянная;

ε₁ и ε₂ – диэлектрические проницаемости слоев;

d₁ и d₂ – толщина слоев;

S – площадь электродов и границы между слоями.

При подключении диэлектрика к источнику с постоянным напряжением, кроме постоянного тока утечки из-за миграционной поляризации диэлектриков, в течение непродолжительного времени наблюдается так называемый ток абсорбции. Со временем ток абсорбции спадает до нуля по экспоненциальному закону. В процессе старения изоляции, например увлажнении одного из слоев, ток абсорбции уменьшается.

Это обстоятельство используется для контроля состоянияизоляции.

Рис. 4.2. Схема замещения двухслойного диэлектрика

Схема представленная на рис. 4.2, б эквивалентна схеме на рис. 4.2, а. В этой схеме замещения:

сопротивление утечки всей изоляции в установившемся ре-

жиме

R = R₁ + R₂, (4.3)

геометрическая емкость изоляции

С_r = С₁ С₂ /(С₁ + С₂). (4.4)

Ветвь «r — ΔС» отражает накопление заряда абсорбции, параметры ее определяются из условия равенства полных сопротивлений обеих схем замещения:

r = R₁R₂ (R₁ + R₂)(С₁ + С₂)² /(R₁С₁ – R₂С₂)²; (4.5)

ΔС = (R₁С₁ – R₂С₂)² / (R₁ + R₂)² (С₁ + С₂). (4.6)

Если изоляция однородна, т.е. R₁С₁ = R2С2 или ε₁ /γ₁ = ε₂ /γ₂, то

r = ∞ и ΔС = 0, т.е. заряд абсорбции в этом случае не накапливается.

Из схемы замещения на рис. 4.2, б следует, что при подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток, проходящий через изоляцию (без учета кратковременного тока заряда геометрической емкости Сr), изменяется во времени в соответствии с выражением

I(t) = (U/R) + (U/r)ехр (–t/τ), (4.7)

где τ = rΔС = R₁R₂ (С₁ + С₂) /(R₁ + R₂). (4.8)

При этом изменяется и сопротивление изоляции

R(t) = U/I(t) = R/[1+(R/r)exp(–t / τ)]. (4.9)

Как следует из (4.8) и (4.9), пределы и скорость изменения

R(t) определяются всеми параметрами обоих слоев изоляции.

При сильном увлажнении, загрязнении или растрескивании изоляции из-за различной способности материалов к увлажнению или загрязнению объемное сопротивление одного из слоев резко падает. Диэлектрическая проницаемость при этом увеличивается незначительно.

Вследствие этого сопротивление утечки изоляции R(t) и постоянная времени τ уменьшаются.

На практике оценка состояния изоляции производится по значениям сопротивления R(t), измеренным через 15 с и 60 с после включения постоянного напряжения. В качестве источника постоянного тока используются переносные приборы мегаом-метры, имеющие напряжение 500, 1000 или 2500 В. Заключение о качестве изоляции делается по значению R₆₀ и коэффициенту абсорбции

kабс= R₆₀ /R₁₅. (4.10)

Для изоляции в нормальном состоянии характерны высокие значения R60 (не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения).

Опытным путем установлено, что R₆₀ /R₁₅<1,3 изоляция недопустимо увлажнена.

Если к двухслойному диэлектрику прикладывается переменное напряжение, то оказывается, что емкость неоднородного диэлектрика зависит от частоты.

Данная зависимость выражается формулой

С(ω) = Сr + ΔС /(1+ω2 τ 2), (4.11)

где ω — круговая частота приложенного напряжения.

Контроль степени увлажнения при переменном токе производится путем измерения емкости изоляции на различных частотах. Емкость изоляции с ростом частоты изменяется тем сильнее, чем больше степень неоднородности изоляции, т.е. чем больше степень увлажнения.

На практике измерения емкостей производятся с помощью приборов контроля влажности (ПКВ) при двух частотах: 2 Гц и 50 Гц.

Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношения С₂ /С₅₀ или ΔС /С_r.

На основе опыта установлено, что для изоляции в нормальном состоянии допустимые значения составляют

С₂ /С₅₀ ≤ 1,2 ч 1,3.

Изоляция недопустимо увлажнена, если измеренные значения различаются более, чем в 1,3 раза, т.е. если С₂ /С₅₀>1,3.

Под воздействием переменного напряжения в диэлектрике возникают токи проводимости и смещения, которые обуславливают так называемые диэлектрические потери. Величина диэлектрических потерь является хорошим показателем состояния диэлектрика, так как появление всякого рода примесей, газовых включений и увлажнения диэлектриков приводят к заметному их увеличению.

Мощность потерь в диэлектрике при неизменной температуре равна

Р = U2 ωСtgδ, (4.12)

т.е. мощность потерь пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь.

В связи с этим, в качестве количественного показателя, характеризующего потери в диэлектрических материалах на переменном напряжении, на практике используется не непосредственно угол диэлектрических потерь δ = 900 – ψ, а его тангенс — tgδ.

Напомним, что ψ – угол фазового сдвига между током и напряжением в диэлектрике.

Величину тангенса диэлектрических потерь tgδ при профилактических испытаниях обычно измеряют с помощью моста переменного тока (моста Шеринга) при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения, если U_ном>10 кВ.

В лабораториях определяют зависимость tgδ = f (U) в интервале (0,5ч1,5)U раб. У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжении до 1,5 U раб в большинстве случаев остается практически неизменным. Если же при повышении напряжения tgδ начинает быстро возрастать, то это свидетельствует о возникновении частичных разрядов в газовых включениях, которые приведут к ухудшению свойств изоляции.

Отметим, что диэлектрические потери пропорциональны частоте приложенного напряжения. Измерение tgδ при частоте 50

Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения.

Оценка состояния изоляции по значениям tgδ предусматривается Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции.

В справочниках и ПУЭ даны нормированные значения tgδ0 в абсолютных значениях или в процентах для диэлектрических материалов и отдельных видов электрооборудования.

Удельная проводимость γ диэлектриков, а, следовательно, и tgδ, достаточно сильно зависит от температуры, тогда как диэлектрическая проницаемость в небольшом интервале температур можно считать независящей от температуры. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции. Для большинства материалов зависимость tgδ = f (T) может быть хорошо описана экспоненциальным законом

tgδ = tgδ_о⋅ ехр[α (Т – Т0], (4.13)

где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т;

tgδ₀ — тоже при температуре Т₀;

α – постоянный коэффициент, характеризующий материал.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ

3.1.В расчетно-пояснительной записке привести условие задачи и исходные данные выбранного варианта. Нарисовать обе схемы замещения двухслойного диэлектрика.

3.2. По формулам (4.3) – (4.6) вычислить параметры схемы замещения (рис.4.2, б) по данным, приведенным в табл. 4.1 и при уменьшении значения R1 в сто раз.

3.3. По формуле (4.9) определить сопротивление изоляции при приложении постоянного напряжения в течение 60 и 15 с, когда R₁ соответствует табл. 4.1 и 0,01 R₁.

3.4. Вычислить коэффициент абсорбции по формуле (4.10) и по коэффициенту абсорбции и значению сопротивления R60 сделать заключение о состоянии изоляции, когда R₁ соответствует табл. 4.1 и 0,01 R₁.

3.5. По формуле (4.13) рассчитать зависимость tgδ от температуры с шагом 20_оС. Результаты привести на графике.

3.6. Рассчитать по формуле (4.12) и изобразить графическую зависимость мощности потерь от температуры. Расчетные точки взять из пункта 3.5.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

К ЗАЩИТЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

3.1 Чем отличаются разрушающие от неразрушающих методов испытания изоляции?

3.2. Каковы основные методы неразрушающих испытаний применяющихся для профилактического контроля внутренней изоляции?

3.3. Почему существует ток абсорбции?

3.4. Как оценивается состояние изоляции по коэффициенту абсорбции?

3.5. Какие основные методы контроля изоляции при использовании переменного напряжения?

3.6. Почему диэлектрические потери измеряются по тангенсу угла диэлектрических потерь?

3.7. Как зависят диэлектрические потери от величины и частоты приложенного напряжения и от температуры диэлектрика?