5.3 Механизм пробоя жидких диэлектриков

Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложные явления, чем пробой газа. На механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы. Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от температуры, давления, частоты и формы напряжения, формы и материала электродов, а также от наличия примесей.

Например, при увеличении содержания воды в нефтяных маслах электрическая прочность понижается, но с увеличением температуры при таком же содержании воды электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается. Эту зависимость отображает рисунок 12.

Механизм пробоя и значения электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят от их чистоты.

Электрический пробой в «чистом» виде возможен только в тщательно очищенных жидких диэлектриках и происходит за счет сочетания двух процессов:

– ударной ионизации электронами;

– холодной эмиссии с катода.

Таблица 5 – Основные физико-химические и электрофизические показатели электроизоляционных нефтяных масел

Показатель	Единица измерения	Масло
		трансформаторное	конденсаторное	кабельное
Плотность при 20 0C	кг/м3	880…890	900…920	840…890
Зольность (не более)	%	0,005	0,0015	0,004
Кислотное число	1 г КОН на 1 кг масла	0,01…0,05	0,01…0,015	0,02…0,04
Температура застывания (не выше)	0С	-45	-45	-30
Температура вспышки паров (не ниже)	0С	+135	+135	+135…180
Температурный коэффициент расширения	0С-1	0,00063…0,00068	0,00067	–
Вязкость при 20 0С	м2/c	28·10-6 …30·10-6	35·10-6…40·10-6	40·10-6…80·10-5
Вязкость при 50 0С	м2/c	9·10-6…9,6·10-6	6·10-6…9·10-6	90·10-7…50·10-6
Удельное объемное сопротивление при 20 0С	Ом·м	1012 … 1013	1012…1014	1012…1013
Относительная диэлектрическая проницаемость при 20 0С		2,1…2,4	2,1…2,3	2,1
Тангенс угла диэлектрических потерь		0,001…0,003	При 100 0С 0,003…0,005	При 100 0С 0,002
Электрическая прочность при 20 0С	МВ/м	15…20	20…25	21

Рисунок 12 – Зависимость электрической прочности нефтяного масла при разных температурах от содержания в нем воды

Электрическая прочность тщательно очищенных жидких диэлектриков на порядок выше, чем газообразных и составляет свыше 100 МВ/м.

В технически чистых диэлектриках имеет место электротепловой пробой. Механизм пробоя технических диэлектриков зависит от содержания примесей и, в первую очередь, нерастворенных полярных в виде эмульсии, суспензии или коллоидных частей (например, воды, находящейся в состоянии эмульсии), твердых частиц.

Электрическая прочность увлажнённого трансформаторного масла имеет сложную температурную зависимость (рисунок 13).

1 –сухое трансформаторное масло, 2 – увлажненное трансформаторное масло

Рисунок 13 – Зависимость Е_пр на переменном напряжении от температуры

Это объясняется различными агрегатными состояниями воды в масле. Вода в жидком диэлектрике может находиться в растворенном, эмульсионном и свободном состояниях. Минимальное значение электрической прочности масло имеет при температуре минус 5 °С, минус 8 °С. Это вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию в виде микрольдинок, а вязкость масла при этом увеличивается. Образуется большая разница в значениях диэлектрической проницаемости воды и масла, что приводит к образованию резко неоднородного электрического поля и вследствие этого – к существенному снижению U_пр масла. При дальнейшем понижении температуры диэлектрическая проницаемость льда уменьшается. В результате этого электрическое поле становится более однородным и U_пр масла возрастает. С увеличением температуры вода переходит в растворённое состояние. Электрическое поле становится более однородным, вследствие этого U_пр масла возрастает. Сухое трансформаторное масло имеет большее значение электрической прочности, чем увлажнённое и практически не изменяется до температуры плюс 70 °С.

Масло, побывавшее в эксплуатации, подвергается окислению, в нем появляются твердые и жидкие примеси, происходит процесс старения. Существует несколько способов очистки и восстановления электрических свойств масла.

Способ 1. Для удаления растворенной влаги, газов и твердых примесей из масел, используемых в электрических аппаратах напряжением до 35 кВ, нагретое до плюс 40…плюс 60 ⁰С масло пропускают через центрифугу.

Недостаток – опасность окисления масла.

Способ 2. Для электрических аппаратов напряжением свыше 35 кВ масла, содержащие влагу и примеси, очищают путем термовакуумной обработки в специальных аппаратах.

Способ 3. Для удаления механических загрязнений и воды масла пропускают через фильтр-прессы.

Способ 4. Сильно окисленное масло (кислотное число ниже 0,4 мг КОН на 1 г) нуждается в регенерации (восстановлении). Для этого используется метод контактирования масла с различными природными и синтетическими адсорбентами при температуре плюс 50…плюс 60 ⁰C .

Основные характеристики регенерированного масла должны соответствовать нормам на свежие масла.

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от однородности электрического поля: с увеличением неоднородности электрического поля пробивное напряжение снижается.

В неоднородном поле в жидкости может произойти неполный пробой (корона). Под действием короны происходят процессы интенсивного разложения и образования продуктов распада (горючих газов и сажи), которые резко снижают электрическую прочность. При переходе коронного разряда в дуговой процессы разложения резко ускоряются.

В соответствии с правилами технической эксплуатации (ПТЭ) оценка электрических свойств чистого сухого и эксплуатационного масел производится по пробивному напряжению. Испытание масла на пробой производится между латунными дисковыми плоскими электродами диаметром 25 мм, расположенными внутри стандартного фарфорового сосуда на расстоянии 2,5 мм. Края электродов закруглены.