Лабораторная работа №10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

ВТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ С ПОРИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Общие сведения о механизме частичных разрядов

Вреальных твердых диэлектриках, применяемых в электроизоляционных конструкциях в качестве изоляционного материала, всегда имеются различные неоднородности в виде воздушных включений, инородных примесей, микротрещин и др., образующихся в процессе технологии их производства.

За счет этого, при приложении к ним высокого напряжения могут возникать ионизационные процессы, обуславливающие ухудшение свойств изоляции, ее старение, снижение долговечности и надежности самой конструкции.

Закономерности и механизм ионизационных процессов во многом определяется типом изоляции, используемой в электроизоляционной конструкции. Так в керамических конденсаторах и в керамике вообще ионизационные процессы развиваются в порах, всегда имеющихся в керамике. При ионизации газа в порах выделяется тепло, за счет чего различные участки керамики оказываются по разному нагретыми. Это может привести к образованию микротрещин и последующему разрушению керамического черепа за счет высоких термомеханических напряжений на стенках пор.

В конденсаторах и кабелях с бумажно-масляной изоляцией ионизационные процессы развиваются в воздушных включениях, образующихся за счет неплотного прилегания слоев бумаги при намотке или их смятия при опрессовке. В резиновой и пластмассовой изоляции воздушные включения могут образовываться в процессе их шприцевания или прессования. При ионизации в воздушных включениях образуются электроны и ионы, которые бомбардируют стенки поры, вызывая распад клетчатки или макромолекул полимера. При этом образуются также окислы азота и озон, которые, в свою очередь, являются сильными окислителями и приводят к образованию кислот и других продуктов, шунтирующих стенки воздушного включения или вызывающих их эрозию. В результате этих процессов происходит постепенное разрушение стенок поры, изменение их формы и размеров с последующим

108

Лабораторная работа №10

усилением ионизации вплоть до пробоя.

Поэтому изучение механизма ионизационных процессов, определение уровня напряжений, при котором они развиваются, представляют большой практический интерес.

1.2. Механизм и характеристики частичных разрядов

Реальный диэлектрик с воздушным включением (порой) можно представить в виде упрощенной эквивалентной схемы замещения, показанной на рис.1, где: С0 - емкость диэлектрика без поры; Сд - емкость части диэлектрика, соединенной последовательно с порой; Св - емкость поры.

Рис.1. Упрощенная эквивалентная схема замещения диэлектрика с воздушным включением (порой)

а) образец диэлектрика с порой Св в системе плоских электродов;

б) упрощенная эквивалентная схема замещения диэлектрика с порой.

При приложении к такому диэлектрику напряжения, равного или большего по значению напряжения начала ионизации – Uни, напряжение на поре достигает величины пробивного напряжения для воздуха, находящегося в этой поре. В результате этого происходит пробой емкости поры, называемый частичным разрядом

- ч.р.

Как правило, пробой емкости поры не вызывает сразу пробоя всего диэлектрика. При ч.р. емкость поры – Св шунтируется зарядами, образующимся в объеме поры в процессе ионизации, и напряжение на поре резко уменьшается, что вызывает затухание ионизации. В дальнейшем за счет тока утечки происходит рассасывание этого объемного заряда и напряжение на поре вновь возрастает до значения, при котором произойдет следующий ч.р. Скорость рассасывания объемного заряда, а следовательно, и

109

Лабораторная работа №10

частота следования ч.р. зависит от вида приложенного напряжения, его частоты и величины удельного объемного сопротивления диэлектрика, определяющего значение тока утечки.

При повышенных температурах удельное объемное

Рис.2. Частичные разряды на постоянном напряжении 1 - изменение приложенного

напряжения во времени;

2 - динамика ч.р. на постоянном напряжении

сопротивление диэлектрика уменьшается, что способствует рассасыванию объемного заряда в воздушном включении и, тем самым, вызывает рост числа ч.р.

В случае постоянного напряжения динамика протекания ч.р. может быть иллюстрирована рис.2.

Если к диэлектрику приложено переменное напряжение, то частота следования ч.р. резко возрастает по сравнению с постоянным напряжением, что хорошо видно из рис.3.

Рис.3. Динамика ЧР на переменном напряжении.

Из рис.3а следует, что при достижении напряжения начала ионизации –Uни , т.е. когда напряжение на поре становится равным напряжению зажигания разряда – UЗ , происходит ч.р. Ионы, образующиеся при разряде, шунтируют пору и гасят разряд. После погасания разряда напряжение на поре вновь начинает возрастать, пока не достигнет значения – Uни . При этом происходит

110

Лабораторная работа №10

следующий ч.р. и т.д. Число ч.р. зависит от соотношения между амплитудным значением приложенного напряжения – Um и напряжением начала ионизации – Uни.

С увеличением этого соотношения, как видно из рис.3б, число ч.р. резко возрастает. Кроме того, число ч.р. зависит также и от значения напряжения погасания разряда –Uпог .

Действительно, при пробое емкости поры - Св ионы, образующиеся в процессе разряда, вызывают не только ее шунтирование, но и заряжают стенки включения и создают поле, направленное противоположно основному. В результате этого также происходит уменьшение напряженности поля в поре, что способствует более быстрому погасанию разряда. Следует отметить, что напряжение на поре в момент погасания разряда может падать не до нуля, а до некоторого напряжения – Uпог, называемого напряжением погасания разряда. Это, как видно из рис.3в, также приводит к росту числа ч.р. Согласно эквивалентной схеме

Учитывая, что напряженности поля на емкостях Сд и Св перераспределяются обратно пропорционально их проводимостям (γд и γв) на постоянном токе, или обратно пропорционально их диэлектрическим проницаемостям (εд и εв) на переменном токе, можно определить напряжение начала ионизации – Uни .

На постоянном токе:

давления и расстояния между электродами [2]. При атмосферном

111

Лабораторная работа №10

давлении эта зависимость имеет вид, показанный на рис.4.

Зная значения dв и Eв из выражений 2 и 3, можно определить напряжение начала ионизации.

Если к диэлектрику с порой приложено переменное синусоидальное напряжение, то напряжение на воздушном включении можно определить согласно эквивалентной схеме:

Как следует из выражений 5 и 6, число nчр возрастает с увеличением соотношения приложенного напряжения Um и напряжения зажигания разряда Uз, а также с ростом частоты поля f и повышением уровня напряжения погасания разряда Uпог, что соответствует графикам, приведенным на рис.3.

Действительно, чем выше приложенное к диэлектрику напряжение, тем выше в нем напряженность электрического поля и тем больше вероятность развития ударной ионизации. Таким образом, развитие разряда будет происходить быстрее и, за один и тот же промежуток времени, будет больше число ч.р. С ростом напряжения погасания разряда U пвремя между повторениями ч.р.

сокращается, что также приводит к увеличению числа ч.р.

Кроме частоты следования ч.р., к основным характеристикам частичных разрядов относятся кажущийся заряд ч.р., ток ч.р., мощность ч.р. и энергия ч.р.

Каждый из единичных ч.р. сопровождается прохождением через включение (пору) определенного заряда q и приводит к изменению напряжения на внешних электродах всего образца на величину U x .

Практически этот заряд q не может быть измерен непосредственно, однако его можно оценить из выражение

112

Лабораторная работа №10

где U в - изменение напряжения на поре в момент разряда.

На практике используется понятие кажущегося заряда qчр, т.е.

такого заряда, который будучи мгновенно введен между выводами испытуемого объекта, вызовет такое же мгновенное изменение напряжения между его выводами, как реальный ч.р.

Если все заряды имеют одинаковое значение, то ток ч.р. будет равен

Iчр = nчр qчр.

Если заряды существенно различаются по величине, то ток ч.р. вычисляется из выражения

Мощность ч.р. Рчр - это мощность, подводимая к выводам

испытуемого объекта для компенсации мощности, выделяющейся в образце вследствие проявления ч.р. в течение определенного промежутка времени t . Ее можно найти по формуле

Учитывая, что энергия, рассеиваемая при ч.р. равна разности начальной и конечной энергии, запасаемой на емкости включения Св, мощность ч.р. может быть также найдена по формуле

Pчр =Wчрnчр = qчрUчр = 2 f (Cв + Cд )(U з +U п )(U m −U п ). (11)

Приведенные выражения 5-11 позволяют определить основные характеристики ч.р. и, тем самым, оценить опасность их воздействия на изоляцию конструкции.

Следует, однако, отметить, что механизм проявления ч.р. в реальных конструкциях имеет более сложный характер, кроме того, размеры и форма воздушных включений бывают разнообразными и их практически трудно оценить. Это затрудняет проведение расчетов на основе приведенных уравнений и поэтому на практике при расчетах напряженности возникновения ч.р. используют различные эмпирические соотношения. Например, для твердой изоляции можно воспользоваться уравнением [2]

113