Автор: Кучинский Г.С.
Теги: электротехника электрические машины и аппараты электронно-и аппаратостроение электроника электричество
Год: 1979
Текст
ББК 31.264.2
К 95
УДК 621.3.048.015
Рецензент //. А. Каплан
Кучинский Г. С.
К 95 Частичные разряды в высоковольтных конструкциях.—
Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979.— 224 с., ил.
В пер.: 1 р. 30 к.
В книге рассмотрена теория частичных разрядов, даны их значения при
выборе допустимых и испытательных напряженностей в изоляции высоковольт-
ных конструкций. Приведена методика оценки сроков службы изоляции—бу-
мажной, маслобарьерной, иа основе синтетических пленок, эпоксидных и поли-
эфирных компаундов, и изоляции электрических машин.
Предназначается для инженерно-технических работников, занятых разра-
боткой, проектированием, производством и эксплуатацией высоковольтных кон-
струкций, а также может быть полезна студентам соответствующих специально-
стей.
30311 — 161
КЙДС1)-79 '°'-79- “““О
ББК 31.264.2
6П2.1.081
©Издательство «Энергия», 1979
ПРЕДИСЛОВИЕ
Под действием высокой напряженности электрического поля
в изоляции в местах пониженной электрической прочности воз-
никают частичные разряды, которые представляют собой про-
бои газовых включений, локальные пробои малых объемов
твердого или жидкого диэлектрика, местные разряды по по-
верхности твердого диэлектрика. Условия возникновения ча-
стичных разрядов определяются конфигурацией электриче-
ского поля изоляционной конструкции и электрофизическими
характеристиками (в том числе электрической прочностью)
рассматриваемой области изоляции.
Частичные разряды обычно не приводят к сквозному пробою
изоляции, однако приводят к местному разрушению диэлек-
трика (особенно органического) и при длительном существо-
вании в определенных условиях могут привести к нарушению
электрической прочности изоляционной конструкции.
Возникновение частичных разрядов всегда свидетельствует
о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим реги-
страция характеристик частичных разрядов позволяет оцени-
вать качество изготовления той или иной изоляционной кон-
струкции и выявлять местные дефекты, которые практически
невозможно определить обычными испытаниями высоким на-
пряжением или измерениями каких-либо интегральных харак-
теристик изоляции (тангенс угла диэлектрических потерь, со-
противление изоляции и др.).
Обычно характеристики частичных разрядов достаточно хо-
рошо коррелируются с размерами дефектов, т. е. позволяют
определять степень дефектности изоляционной конструкции.
В отдельных случаях качество изоляции может быть опреде-
лено по какой-либо одной наиболее показательной характери-
стике, причем для различных изоляционных конструкций эти
характеристики могут быть разными. В большинстве случаев
наиболее объективная оценка качества изделия может быть
произведена путем измерения совокупности характеристик ча-
стичных разрядов.
3
В процессе эксплуатации изоляция высоковольтных кон-
струкций подвергается длительному (в течение всего срока экс-
плуатации) воздействию рабочего напряжения и многократ-
ному воздействию внутренних и атмосферных перенапряжений.
Внутренние перенапряжения возникают при включениях и от-
ключениях элементов электрической сети или установки,
а также в аварийных или анормальных режимах. В конструк-
циях, связанных с воздушными линиями электропередачи,
возникают грозовые перенапряжения, вызванные ударами мол-
нии в элементы электрической сети или вблизи них.
Наряду с этим изоляция подвергается температурным и
механическим воздействиям, вибрациям, а в ряде случаев и
увлажнению, приводящим к ухудшению ее электрических и
механических свойств.
Воздействие кратковременных перенапряжений при недо-
статочной электрической прочности может привести к пробою
или перекрытию изоляции непосредственно во время воздей-
ствия перенапряжения.
Длительное воздействие рабочего напряжения, а также мно-
гократные перенапряжения в сочетании с температурными и
механическими воздействиями и увлажнением могут привести
к снижению электрической прочности вследствие процессов ста-
рения изоляции, в том числе вследствие разрушения под воз-
действием частичных разрядов (ч. р.), и последующему ее вы-
ходу из строя.
Надежная работа изоляции высоковольтных конструкций
может быть обеспечена при соблюдении следующих условий.
1. Изоляция должна выдерживать с достаточной для прак-
тики надежностью возможные в эксплуатации перенапряже-
ния с учетом имеющихся защитных мер, статистического ха-
рактера воздействующих перенапряжений и электрической
прочности изоляции, а также кумулятивных процессов, связан-
ных с частичным повреждением изоляции при воздействии пе-
ренапряжения.
2. Изоляция должна с достаточной для практики надежно-
стью выдерживать длительно (в течение всего срока эксплуа-
тации) воздействующее рабочее напряжение с учетом возмож-
ных его изменений в допустимых пределах.
Выбор допустимых напряженностей при перенапряжениях
во многом определяется кратковременной электрической проч-
ностью изоляции. Однако в ряде случаев (особенно при пере-
напряжениях длительностью порядка сотых долей секунды и
более) допустимые напряженности могут определяться отсут-
ствием частичных повреждений изоляции при перенапряже-
ниях и задаются характеристиками ч. р. При выборе допусти-
мых рабочих напряженностей электрического поля в значитель-
ном количестве типов изоляционных конструкций определяю-
щими являются характеристики ч. р. в изоляции.
4
Изучение этих характеристик стало вопросом первостепен-
ной важности для кабелей, конденсаторов, трансформаторов
тока, проходных изоляторов, работающих при переменном, по-
стоянном, пульсирующем и импульсном напряжениях.
Исследования показали также, что этот вопрос является
чрезвычайно важным и для изоляции силовых трансформато-
ров, особенно высших классов напряжения.
Не менее важными являются процессы ч. р. в изоляции
электрических машин, хотя в этом случае допустимые рабочие
напряженности не определяются непосредственно характери-
стиками ч. р.
Измерение характеристик ч. р. применяется также при конт-
рольных и профилактических испытаниях изоляционных кон-
струкций.
Важность характеристик ч. р. для обеспечения надежной ра-
боты изоляционных конструкций послужила основанием к раз-
работке рекомендаций Международной электротехнической ко-
миссии по измерениям частичных разрядов в изоляции [59],
к разработке Государственного стандарта по измерениям ха-
рактеристик частичных разрядов [14], а также аналогичного
документа (рекомендации по стандартизации) для стран СЭВ.
В настоящее время в Советском Союзе нет книг с обобщен-
ным изложением теоретических положений и основных экспе-
риментальных данных по ч. р. в изоляции высоковольтных
конструкций.
Отдельные вопросы изложены в [7]; в [40] рассмотрена мето-
дика измерения характеристик ч. р. в изоляции оборудования
только в условиях эксплуатации.
Работы [3, 25] посвящены рассмотрению закономерностей
электрического старения полимерных и неорганических диэлек-
триков и не рассматривают процессов старения комбинирован-
ной изоляции с применением жидких диэлектриков, наиболее
широко применяемых в энергетике, а также изоляции конкрет-
ных конструкций (конденсаторы, кабели, аппараты, трансфор-
маторы, электрические машины). В них не излагается также
достаточно полно теория ч. р. и не рассматривается методика
измерения основных характеристик.
Наиболее систематизированные сведения о ч. р. и о мето-
дике их измерений приводятся в книге Ф. Крейтера «Регистра-
ция разрядов в высоковольтном оборудовании» (Лондон,
1964) [52]. Однако после выпуска этой книги прошло более
15 лет и возникла необходимость систематизировать значи-
тельное количество новых работ, появившихся в печати за это
время. Так как большое количество специалистов работает
в области исследования характеристик ч. р. в различных изо-
ляционных конструкциях и в области применения измерения
этих характеристик для оценки качества, прогнозирования сро-
ков службы и выбора допустимых рабочих напряженностей,
то необходимо появление специализированной книги, в кото-
рой были бы систематизированы вопросы, касающиеся харак-
теристик ч. р., методики их регистрации и практического при-
менения результатов измерения для обеспечения надежной
работы изоляционных конструкций при длительном воздейст-
вии рабочего напряжения.
В предлагаемом труде автор делает первую попытку создать
отечественную специализированную книгу, посвященную си-
стематизированному изложению вопросов, касающихся иссле-
дования характеристик ч. р. в изоляции высоковольтных конст-
рукций и практического применения основных закономерностей.
В книге приводится теория ч. р. в изоляции, рассматрива-
ются основные характеристики, подлежащие измерению. Изла-
гаются методы измерения характеристик ч. р., основные требо-
вания к измерительным устройствам и характеристики измери-
тельных устройств. В книге рассмотрены также особенности
развития ч. р. в изоляции различных высоковольтных конструк-
ций: в силовых конденсаторах, кабелях, силовых трансформа-
торах, аппаратах и электрических машинах. На основе харак-
теристик ч. р. рассматриваются процессы электрического
старения изоляции различных конструкций, приводящие к сни-
жению электрической прочности и ухудшению других характе-
ристик. Даются рекомендации по выбору допустимых рабочих
и испытательных напряженностей по характеристикам ч. р. Для
каждого вида изоляционных конструкций рассматриваются осо-
бенности измерения характеристик ч. р.
В книге также приводятся сведения о специализированных
устройствах для измерения характеристик ч. р., выпускаемых
как в Советском Союзе, так и за границей.
Все замечания и пожелания просьба направлять по адресу:
191041, Ленинград, Д-41, Марсово поле, д. 1, Ленинградское
отделение издательства «Энергия».
ГЛАВА
1-1. ПОНЯТИЕ О ЧАСТИЧНОМ РАЗРЯДЕ
Понятие частичного разряда (ч. р.) в изоляции охватывает
местный разряд на поверхности или внутри изоляции в виде
короны, скользящий разряд или пробой отдельных элементов
изоляции, шунтирующий часть изоляции между электродами,
находящимися под разными потенциалами.
Ч. р. в изоляции возникают в местах с пониженной электри-
ческой прочностью (например, в прослойках пропитывающей
жидкости или в газовых включениях в толще диэлектрика).
В дальнейшем элемент диэлектрика с пониженной электриче-
ской прочностью, участвующий в ч. р., будет называться «вклю-
чением».
При рассмотрении ч. р. эквивалентная схема диэлектрика
емкостью Сх может быть представлена тремя емкостями
(рис. 1-1): Св — емкостью элемента диэлектрика, участвующего
в ч. р. (емкость включения); Сд — емкостью элемента диэлек-
трика, включенного последовательно с первым; Са — емкостью
остальной части диэлектрика, лишенной включений. При этом
Сх = Са + -С*С* . (1-1)
св + сд V '
Возникновение ч. р. произойдет тогда, когда напряжение
на включении (рис. 1-1, емкость Св) достигнет пробивного
значения (7В. 3—напряжения зажигания разряда во включении.
Так, например, при включениях в форме прослойки, вытя-
нутой поперек силовых линий поля, напряженность во вклю-
чении Е3 связана с напряженностью в остальной части диэлек-
трика Ел соотношением
£в/£д = ед/ев, (1-2)
где Ев — диэлектрическая проницаемость включения; ед— ди-
электрическая проницаемость диэлектрика.
В случае газообразных включений напряженность во вклю-
чении превышает напряженность в диэлектрике: так как
Ед^ Ebj ТО £в>£д.
7
Соотношение между напряженностью во включении и сред-
ней напряженностью будет зависеть от соотношения между
толщинами диэлектрика и включения. Если ввести обозначе-
ния: — толщина диэлектрика, расположенного последова-
тельно с включением (рис. 1-1); dB— толщина включения; U —
напряжение на электродах образца, то для эквивалентной
схемы рис. 1-1 имеем:
U ед
ев</д + вдав
(1-3)
^в(Сд -|- Св) , / Ед 8В
в \ ад dB
Рис. 1-1. Эквивалентная схема при рассмотрении ч. р. в диэлектрике
Св—емкость элемента диэлектрика, участвующего в ч. р. (емкость включения);
с'д—емкость части диэлектрика, расположенного последовательно с включением;
С а— емкость остальной части диэлектрика
и отношение Ев к средней напряженности Еср = U/(da + dB)
равно:
£в 1 4~ dB!dB z । л \
£ср (ев/8д) + (dB/dg)
Таким образом, отношение EB/ECV зависит от отношения
dB/da. Если dB/dH<l, то Ев/Еср = ед/ев.
Для сферического или эллипсоидального включения
Ев/Дд = Зед/(ев + 28д). (1-5)
Электрическая прочность газа во включении мало отлича-
ется от электрической прочности газа между металлическими
электродами. Если поле во включении однородно (плоские
включения, вытянутые поперек поля, или сферические включе-
ния), то пробивное напряжение связано с размерами включе-
ния (его толщиной) и давлением газа во включении законом
Пашена. Зависимости пробивного напряжения ДПр от давле-
ния газа во включении р и толщины включения dB для различ-
ных газов приведены на рис. 1-2. При размерах включения
8
порядка десятков микрометров и давлении, близком к атмосфер-
ному, пробивное напряжение лежит вблизи минимума кривой
Пашена, слабо изменяется при изменении размеров включения
и составляет приблизительно 250—300 В.
При включениях в виде прослоек жидкого диэлектрика для
определения напряженности во включении остаются в силе при-
веденные выше соотношения (1-2) — (1-5). Пробивная на-
пряженность жидкого диэлектрика также существенно возра-
стает с уменьшением толщины включения. В качестве примера
на рис. 1-3 [6] приведена зависимость пробивной напряженно-
сти нефтяного масла от толщины зазора dM.
Рис. 1-2. Пробивное напряжение Рис. 1-3. Зависимость пробивной
газов в зависимости от давления и напряженности масляной прослой-
расстояиия между электродами ки от толщины для равномерного
в равномерном поле поля в зазоре, прилегающем
1 — воздух; 2 — водород к электроду (штриховой линией
показана область разброса про-
бивных напряженностей)
При пробое включения (емкости Св) ионы, образующиеся
в процессе разряда, заряжают поверхность включения и соз-
дают поле, обратное по направлению основному полю. После
разряда емкости включения Св в большинстве случаев не воз-
никает большая плотность тока, необходимая для поддержания
устойчивого разряда, и он гаснет. Образование полупроводя-
щего слоя на поверхности включения также не может привести
к поддержанию разряда вследствие незначительной емкости
включения. При пробое напряжение на включении падает не
до нуля, а до определенного значения UB. п, при котором раз-
ряд гаснет. Напряжение погасания при размерах газового
включения или масляной пленки порядка 10—100 мкм меньше
соответствующего пробивного напряжения и может быть в пре-
делах
t7B.n«(0,1^0,9)t7B.3. (1-6)
9
Напряжение на электродах объекта, соответствующее воз-
никновению ч. р., сокращенно называется напряжением ч. р.
£7Ч.Р. Связь между U4,p и (7в.з может быть установлена из рас-
смотрения эквивалентной схемы рис. 1-1:
(1-7)
. Длительность процесса пробоя включения (длительность
ч. р.) в большинстве случаев весьма мала — порядка (3—10) X
ХЮ-9 с. Лишь при мощных критических ч. р., представляющих
собой разветвленные скользящие разряды или пробои боль-
ших (порядка 1 см и более) прослоек жидких диэлектриков,
длительность ч. р. может быть больше (до 10-7—10-6 с).
1-2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Каждый из единичных ч. р. сопровождается прохождением
через включение определенного заряда q и приводит к измене-
нию напряжения на внешних электродах всего образца на At7»-
Если Са^>Св и Са^>Сд, то заряд q, проходящий через вклю-
чение в момент возникновения ч. р., равен
q = (Св+ Сд) ((7В. з- п) = (Св + Сд) Д17в. (1-8)
Практически заряд q не может быть измерен непосред-
ственно, так как его прохождение связано с процессами внутри
диэлектрика испытуемого объекта.
В момент возникновения ч. р. можно считать, что заряд
на электродах испытуемого объекта не изменяется, так как ем-
кость объекта отделена от остальной емкости цепи индуктив-
ностью соединительных проводов (шин). Поэтому изменение
напряжения &UX происходит за счет увеличения емкости объ-
екта при возникновении ч. р. (шунтирование емкости Св в эк-
вивалентной схеме рис. 1-1).
Однако для удобства дальнейших рассуждений можно пред-
ставить, что изменение напряжения на объекте происходит
вследствие фиктивного изменения заряда q4. р на электродах
объекта неизменной емкости Сх, причем &Ux=q4.p/Cx.
Величина q4. р называется кажущимся зарядом ч. р. Таким
образом, кажущийся заряд ч. р. — это такой заряд, который,
будучи мгновенно введен между выводами испытуемого объекта,
вызовет такое же мгновенное изменение напряжения между его
выводами, как реальный ч. р. [14, 59]. Кажущийся заряд вы-
ражается в кулонах.
Для установления соотношения между <?Ч.Р и q примем во
внимание, что при возникновении ч. р. и уменьшении напряже-
ния на емкости Св на А(7В = ПВ.3—(7в.п из емкости Са ушел за-
ряд на подзарядку емкости Ся, вызвавший уменьшение напря-
жения на объекте на Д[7Ж-
10
(1-9)
Используя условия равенства этого заряда кажущемуся за-
ряду ч. р., а также формулу (1-8) имеем
<7ч. р = A UХСХ = ДС7вСд = q
Сд -р Св
Легко показать, что (1-9) справедливо при любом соотноше-
нии между Са, Св и Сд.
Следует отметить, что изменение напряжения на образце
обычно крайне незначительно. Так, например, при q4. р =
= 10-12Кл, подлежащем регистрации, и Сх= 1000 пФ имеем
Д[7ж=10-3 В. При больших емкостях Д(7Ж может быть еще
меньше. Так как приложенное напряжение может достигать
многих сотен киловольт, то непосредственное измерение ДСЖ
вызывает большие затруднения.
Если включение имеет форму прослойки, вытянутой поперек
силовых линий поля, то удобно относить емкости Сд и Св к еди-
нице поверхности включения. Тогда формула (1-9) может быть
представлена в следующем виде:
ед
<7,.Р = <7-
еД I ев
d — dB dB
Из формулы (1-10) следует, что при том же заряде q, про-
ходящем через включение, и неизменной толщине включения
dB кажущийся заряд ч. р. уменьшается с увеличением толщины
диэлектрика d.
В дальнейшем напряжение на объекте восстанавливается за
счет подтекания заряда от источника напряжения и других
емкостей схемы, к которой подключен испытуемый объект. Это
приводит к возникновению высокочастотных колебаний в схеме,
регистрация которых специальными измерительными устройст-
вами позволяет исследовать характеристики ч. р. в изоляции.
При рассмотрении процессов поверхностной эрозии диэлек-
трика ч. р. большой интерес представляет заряд, проходящий
через единицу поверхности включения. Рассмотрим включе-
ние в виде прослойки, вытянутой поперек силовых линий поля.
Если поверхность включения, участвующая в ч. р., равна Зв, то
на основании (1-8) удельный заряд, проходящий через единицу
поверхности включения, равен
’’«“/Нт+ тМД(7--
Как показано в [3], если UB.P<^UB,3, то с учетом
<7 = (СВ + СД)(СВ.3-СВ.П)^
(Св + Q UB. 3 = СДСЧ. р = 5В
a — dB
®Д
<7
(1-ю)
(Ml)
(1-7) и (1-8),
ич.р,
(1-12)
11
а при dB<^d на основании (1-12) t
if *•
^д = ед-^ = ед£ч.р, (1-13)
а
где Еч. р= U4. v/d — напряженность возникновения ч. р. или со-
кращенно напряженность ч. р, »
Возникновение каждого единичного ч. р. приводит к выделе- j
нию в диэлектрике испытуемого объекта энергии W4. р. Эта »
энергия частично тратится на разогрев испытуемого объекта,
а частично расходуется на разрушение диэлектрика объекта. •
Если емкость Са^>Сд, что имеет место в подавляющем боль- |
шинстве случаев, то энергия единичного ч. р. может быть опре-
делена как разность начальной WH и конечной Ц7К энергий, за- *
пасаемых на емкостях эквивалентной схемы: /
W4.v = Ws-WK = -^i±^(ul3~U2B.n). (1-14) I
Если ^в.п, то, учитывая (1-7),
Гч р = (£в з + ив п) Д ив ~ qUB. 3. (1-15)
Принимая во внимание (1-7) и (1-8), имеем
^ч.р = ?ч.р^ч. р- (Мб) ’
Если Uв. п<С ив. з, то на основании (1-14)
^ч.р = ^в.з/2 = <7ч.р^ч.Р/2. (1-17)
Кроме количественных характеристик, определяющих ин- 4
тенсивность единичных ч. р., используются интегральные коли-
чественные характеристики, определяющие интенсивность ч. р.
в течение интервала времени, значительно большего, чем
время между двумя единичными ч. р. Такими характеристи-
ками ч. р. являются: частота следования пч. р, средний ток
7ч. р, средняя мощность Рч р и квадратичный параметр £>ч. р
[14, 59].
Частотой следования пч. р называется среднее число им-
пульсов ч. р. в единицу времени (секунду). Практически могут
быть учтены ч. р. с кажущимся зарядом выше'установленного *
значения или ч. р. с кажущимся зарядом, находящимся в опре-
деленном интервале. |
Средний ток /ч. р представляет собой сумму абсолютных I
значений кажущихся зарядов, проходящих за одну секунду, и |
измеряется в Кл/с или А. Если сумма зарядов измеряется за ।
интервал времени то
7ч.р = т-(|<7ч pil + 1?ч.рг| + • • • + 1<7ч.рт1)- (1-18)
‘1
12
Если все заряды имеют одно значение | q4. р |, то
^Ч. р ~ пч- Р?ч- Р‘ (1'19)
Если заряды существенно различны по значению, то ток ре-
комендуется вычислять [14] по следующей формуле:
k
/ч p = Кр^Ц+JW (П(+1_Пг)> (1.20)
Г=0
где (/ч.рг — i-й уровень кажущихся зарядов; и, — частота сле-
дования ч. р., кажущийся заряд которых превышает t-й уро-
вень (значению t'=0 соответствует частота следования п = 0).
При определении среднего тока /ч. р по формуле (1-20)
число уровней k кажущегося заряда рекомендуется выбирать
не менее четырех (у которых начальный уровень должен соот-
ветствовать £ = 0), при регулировке уровней не более чем че-
рез 20 дБ.
Средняя мощность Рч. р — это средняя мощность, подводи-
мая к выводам испытуемого объекта для компенсации мощно-
сти, выделяющейся в испытуемом объекте вследствие ч. р.
в течение определенного интервала времени t\.
Рчр~~ (?ч. plwl+?ч. P2W2 + • • • ~h ^ч-Рт^т)> (1'21)
‘1
где «1, и2, ..., ит — мгновенные значения напряжения на ис-
пытуемом объекте в моменты разрядов.
Если основное количество ч. р. возникает вблизи ампли-
туды приложенного напряжения Um, то Рч. р может быть при-
ближенно определена по формуле
P4.P = I4.PUm. (1-22)
Так как подводимая к выводам испытуемого объекта мощ-
ность Рч. р должна равняться мощности, выделяющейся в объ-
екте вследствие ч. р., то, если все разряды имеют одну и ту же
энергию Гч.Р, мощность Рч. Р может быть определена также по
формуле
Я„р = ич.рГч.р. (1-23)
Если заряды существенно различны по значению, то
k
= (1-24)
1=0
где W4.Pi — t-й уровень энергии; п, — частота следования ч. р.,
энергия которых превышает i-й уровень (значению i=0 соответ-
ствует частота следования п = 0).
Квадратичный параметр D4, Р представляет собой сумму
квадратов зарядов, проходящих через выводы испытуемого
13
объекта в результате ч. р. за одну секунду. Если измерение
суммы квадратов зарядов производится за интервал времени
Л, то
••• + <р«)- (Ь25>
Если все разряды имеют одно значение jg„ р то
^ч. р ~ Пц- р7ч. р' (1-26)
Рис. 1-4. Оптические картины разряда (d=4 мм): а — при
pds<(pds)K^, р= 105 Па, у катода — полиэтилен, у ано-
да—стекло; б — при pdB>(pdB)Kp, р=1,4-105 Па, у ка-
тода— стекло, у анода — полиэтилен; в — у катода — поли-
этилен; г — у катода — полиэтилентерефталат, у анода —
стекло
Если разряды существенно различны по значению |<?ч.Р|, то
k
(1'27)
где <?ч.р( — i-й уровень квадрата заряда; п,- — частота следова-
ния ч. р., квадрат заряда которых превышает i-й уровень (зна-
чению i = 0 соответствует частота следования п = 0).
Исследования [3] ч. р. в газовой прослойке с помощью элек-
тронно-оптического преобразователя (ЭОП) показали, что
в ряде случаев каждый импульс, регистрируемый устройством
для измерения ч. р., соответствует нескольким микроразрядам.
Интервал времени между отдельными микроразрядами состав-
ляет около 3" 10~8 с, причем каждый микроразряд представляет
собой дискретный во времени и пространстве искровой канал
(см. рис. 1-4,а).
14
Оптическая картина ч. р. существенно зависит от давления
газа р в прослойке, толщины прослойки d3, рода диэлектрика,
рода газа. При значениях pdB меньше некоторого критического
(р^в)кр ч. р. развиваются в виде серии микроразрядов
(рис. 1-4,а), а при pd3> (pdB)Kp ч. р. представляет собой один
более мощный разряд (рис. 1-4,6). Если у мгновенного анода
расположен полимерный твердый диэлектрик, а у катода —
стекло, то каналы отдельных микроразрядов имеют конусооб-
разную форму и состоят из слабо светящегося участка вблизи
катода и ярко светящегося вблизи анода. При катоде, покрытом
полимером, и металлическом аноде разряд возникает в виде
одного искрового канала (рис. 1-4, в). В некоторых случаях на-
блюдаются микроразряды, сопровождающиеся разрядами по
поверхности диэлектрика (рис. 1-4,6).
Заряд qw. р и энергия IFM. р одного микроразряда могут быть
определены по формулам:
<7м.р-^<7ч.р = ^- и ГМ.Р = ^ГЧ.Р = ^, (1-28)
^м. р Мм. р
где АЗВ — средняя площадь поверхности включения, разряжае-
мого одним микроразрядом; SB — общая площадь включения,
участвующая в емкости Св; mM. P = ASB/SB— число микроразря-
дов, составляющих один ч. р. ASB зависит от вида диэлектрика
и растет с увеличением газовой прослойки dB. Например, для
полиэтилена ASB возрастает с 0,4 до 2,5 мм2 при увеличении dB
от 1 до 6 мм.
Формулы (1-8) и (1-14) с учетом микроразрядов могут быть
представлены в виде
<7 = /«м.р-^(Сд + Св)([/в.3-[/в.п) (1-29)
и
W4. р = т№. р (Сд + Св) [Ul з- Ul. „)• (1-30)
При рассмотрении ч. р. некоторые авторы [41] используют
более сложные эквивалентные схемы замещения диэлектрика
с включением, позволяющие более точно учитывать выделение
энергии во включении с учетом перераспределения поля в диэ-
лектрике (изменения зарядов на емкостях сеточных моделей,
рис. 1-5,а, б, в). Так, на схеме рис. 1-5, б емкость поры Св, в ко-
торой возникает ч. р., соединена последовательно с емкостями
С!д и С2д, эквивалентирующими объемы диэлектрика, располо-
женные между порой и электродами. Параллельно Св включена
емкость Ch, замещающая объем диэлектрика, окружающего
пору в эквипотенциальной плоскости. Емкость Ch подключена
к Св через емкости Cjn и С2п, замещающие объемы диэлек-
трика, по которым зарядный ток проходит от Ch к области
15
Рис. 1-5. Усложненная экви-
валентная схема диэлект-
рика с газовым включе-
нием при ч. р.: а — сеточная
модель (включение заштри-
ховано); б — эквивалентная
схема при расположении
включения в толще диэлек-
трика; в — упрощенная эк-
вивалентная схема при рас-
положении включения
у электрода
Рис. 1-6. Зависимость характе-
ристик ч. р., вычисленных по
схеме рис. 1-5, в, от диаметра
полости D. Толщина диэлек-
трика 10 мм, высота полости
1 мм
1 — кажущийся заряд <7Ч, р; 2 —
мощность рч р ; 3 — удельное зна-
чение кажущегося заряда ?/s (на
единицу площади включения); 4 —
удельное значение мощности p/s;
5 — кажущийся заряд, вычислен-
ный по схеме рнс. 1-1
16
поры при возникновении ч. р. Кроме того, Сд соединена с элек-
тродами через емкости С1е и Сге, замещающие объемы диэлек-
трика, расположенные между Ch и электродами. Эти уточнения
имеют некоторый практический интерес главным образом для
пор, вытянутых вдоль силовых линий электрического поля.
Расчеты показывают, что в вытянутых полостях малого диа-
метра на единицу площади выделяется энергия в 10—100 раз
больше той, которая освобождается за счет деполяризации
зарядов, накопленных на противоположных стенках полости
(рис. 1-6). Увеличение удельного энерговыделения и удельного
значения мощности ч. р. является одной из причин низкой
длительной электрической прочности диэлектрика с полостями,
вытянутыми в направлении силовых линий поля.
1-3. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Если к испытуемому объекту приложено переменное сину-
соидальное напряжение u=Umsinat, то при отсутствии ч. р. на-
пряжение на емкости включения также синусоидально и равно
uB = UBmsina>t, где UBm— амплитуда напряжения на включении
UBm=Um------~~ (1-31)
"Г
где т) = Сд/(Сд + Св).
В случае включения в виде прослойки толщиной dB, вытя-
нутой поперек силовых линий поля,
Л ___ л ед/(<-1 <^в) _ Т1 ед^в
ит , ч , j •
£в 8д ев (<♦ Ctg) бд&в
d
При воздействии на испытуемый объект первого полупериода
напряжения ч. р. возникнет тогда, когда напряжение на вклю-
чении (емкость Св, рис. 1-1) достигнет значения UB. 3 (напряже-
ния зажигания разряда во включении). При пробое напря-
жение на включении падает до UB. п (напряжения погасания
разряда во включении), при котором разряд гаснет.
После погасания разряда напряжение на включении начи-
нает нарастать от значения UB. п по кривой, соответствующей
изменению приложенного напряжения, смещенной по вертикали
на значение постоянной составляющей, возникшей вследствие
появления зарядов на поверхности включения (на емкости Св).
Когда напряжение UB на емкости Св достигнет значения UB,3,
процесс повторяется.
Следовательно, разряды в рассматриваемой области диэлек-
трика повторяются через промежутки времени, соответствую-
щие изменению напряжения на Св на AUB — UB,3—UB, п- При
2 Г. С. Кучинский 17
прохождении напряжения через максимум включение находится
под напряжением, значение которого лежит в интервале между
UB. з и UB. п- Затем происходит уменьшение напряжения на
включении до 0 и дальнейший рост до —UB,3. В первом прибли-
жении можно принять, что при обеих полярностях пробивное
напряжение включения одинаковое. При достижении напря-
жением на включении значения—UB, 3 происходит пробой вклю-
чения и процесс продолжается описанным выше образом
(рис. 1-7).
При таком механизме явления ч. р. должны прекращаться
при прохождении напряжения через максимум и вновь возни-
Рис. 1-7. Развитие во времени ч. р. при переменном
напряжении
кать, когда напряжение на выводах испытуемого объекта до-
стигнет значения U\, соответствующего изменению напряжения
на включении на UB\~UB. з+^в. п:
Т] Т]
В дальнейшем после возобновления ч. р. разряды в рассмат-
риваемой области диэлектрика, по-прежнему, повторяются через
промежутки времени, соответствующие изменению напряжения
на емкости Св на А(/в или на выводах испытуемого объекта на
\и = \ив/'г\- (1-33>
Таким образом, число разрядов во включении за один полу-
период
т 2Uвт — (17в. з ~Т б^в,п) । 1
Ч'Р 1/в.з-(/в.п +
= 2(^ВИ1- 1/в.п),_ 2(ит~и'п) (1 -34)
А17в Д[/ ’
18
где U'^—пЛ]« При ^/в.з^^в.п и U-q,з/т] — U3 — t/ч.р имеем:
т ~ 1 2 з) = 2(^»иг . (1 -35)
чр АС7В Д1/ V ’
При С/в.п<С<7в.з
тч.р^^ = -^-. (1-36)
U В. 3 k ч. р
При этом число разрядов во включении пч. р за 1 с будет
пч. р = 2fm4. р, (1-37)
где f — частота приложенного напряжения.
Учитывая (1-14), (1-23) и (1-34), мощность ч. р. Рч. р в од-
ном включении может быть представлена в виде:
Рч. р = W„. рпч. р = 2f (Сд + Св)(С/, 3+ UB. п) (UBm-UB. п). (1-38)
Если Uв. 3~ Uв. П, ТО
Рч. р = 4/ (Сд + Св) t/B. 3 (Уът-ив. 3) = 4fCaUB. 3 (Um- ич. р). (1-39)
Если t/B. п = 0, то
Рч. р = 2f (Сд + Св) иъ. 3UBm = 2fC>UB. 3Um. (1-40)
Из выражений (1-38) — (1-40) следует, что для одного вклю-
чения или при фиксированном количестве одинаковых включе-
ний мощность ч. р. линейно возрастает с ростом приложенного
напряжения.
При UB. 3~ив. п, учитывая (1-16) и (1-23), мощность ч. р.
может быть также представлена в следующем виде:
Л,. р — 7ч. Р^Ч- Р^Ч. р = 1ц- р^Ч'Р" (П41)
Соответственно при UB. П*С UB. з, учитывая (1-17) и (1-23),
Рч. р = pt/4. р пч. п/2 = /ч, р7/ч. р/2. (1-42)
На основании (1-21), мощность Рч, р, выделяемая в единич-
ном включении, может быть также представлена в виде
1 ;=1
где щ — мгновенное значение напряжения на диэлектрике
в момент времени разряда с кажущимся зарядом q4, р<; тч. р —
общее количество разрядов в единичном включении за полупе-
риод Т/2. При использовании формулы (1-43) необходимо учи-
тывать знаки при <7ч. рг И «г-
В качестве примера определим энергию Wt/2, подводимую
к выводам испытуемого объекта за полпериода Т/2, для ком-
пенсации энергии, выделившейся во включении вследствие ч. р.
Рассмотрим один полупериод от максимума напряжения одной
полярности до максимума напряжения противоположной по-
19
лярности (рис. 1-7). В этом случае при определении Wтц энер-
гия ч. р., возникающих от момента времени до момента вре-
мени t2, соответствующего переходу напряжения через нуль,
должна быть взята с одним знаком, а энергия ч. р., возникаю-
щих от момента времени t2 до момента времени Д, соответст-
вующего переходу напряжения через максимум,— с другим.
Если принять ^ч. pi = 94. p = const, то формула (1-21) может
быть представлена в следующем виде:
P4.p = Y^p!-1A[7 + 2A[7+ ••• +(mi-l)A^ + (t7m-(71)] +
-f- [Д£7 2Д£/ Д- ••• ~P(ffh— 1) &mll —
= p{(Um-U1 + AU) + (Um-U1 + 2\U)+ . . .
• • • +[Um-U1^ms-\)&U] + Um}, (1-44)
где
rn1 = (t7m—m2=t7m/At7;
m3 = m2—m1= U-J&.U.
Формула (1-44) может быть преобразована к виду
Л. р = q4. (2Um-U1 + bU) = q4. pf U^2U-^t±.^U.>.. (1 -45)
Учитывая (1-34) и (1-37), имеем:
^ч.р = <7ч.р^1Пч.р/2 = /ч. р^/2. (1-46)
При t7B.3~67B.n имеем i/1»=2t/4.p и
Рч.р=1ч,рич,р. (1-47)
При Uв. п Uв. з
P4.p = /4.pt/,.p/2 = 2f94.p[/m. (1-48)
Сравнение формул, полученных для мощности, расходуемой
в одном включении, (1-41) и (1-42) с соответствующими фор-
мулами, полученными для мощности, подводимой к выводам
испытуемого объекта, (1-47) и (1-48) показывает их полную
идентичность.
Для большинства изоляционных конструкций с ростом на-
пряжения количество областей (включений), в которых возни-
кают ч. р., не остается постоянным, а увеличивается, что при-
водит к более сильной зависимости числа разрядов в секунду
и мощности ч. р. от напряжения, чем по формулам (1-34),
(1-37) и (1-38).
Увеличение с ростом напряжения числа включений, в кото-
рых возникают ч. р., происходит в соответствии со статистиче-
ским разбросом напряжений зажигания ч. р. в отдельных
включениях.
20
Как показали опыты, можно считать, что распределение на-
пряжений зажигания ч. р. подчиняется нормальному закону со
средним значением UB. 3. ср и среднеквадратичным отклонением
Ов. з-
Таким образом, плотность вероятности появления включе-
ний с напряжением зажигания ч, р. (7В. 3 равна
7 ОЛз.з)
1
V2Й ав. з
ехр
(Ub. 3 ^В. 3. ср)2
(1-49)
а вероятность появления включения с напряжением зажигания
менее UB. 3 составляет
ив. 3
F(U9.3) = —±---- С exp (1-50)
У 2л ав. з J 2ч| э у
о
Переходя к напряжениям на выводах испытуемого объекта,
имеем
Uч. Р = Uв. з/n. Uч. р. ср в. э. СР/ТЬ <*ч. Р ’ *в. 3^
и
УЧ.р
К(ПЧ.Р) = —!----- Г ехр /-^р-^.рсрГА (1.51>
У 2л ач, р J 2<j2 р у
о
При напряжении, меньшем напряжения начальных ч. р. UHf
вероятность возникновения ч. р. во включении должна быть
достаточно мала. В области малых вероятностей зависимость
F(U), а следовательно, и определяемые ею зависимости пч. р([/)
и /ч. р(П) имеют вид
F(U) = A1(U/UK)a'-, (1-52)
пч. р = «ч. р о (U/UbY1' = AJJa' = Л2£а'; (1-53)
р = /ч. P о (^нГ = A3Ua> = А3Еа‘, (1-54)
где ai = 4f7H/<T4. р, пч. р0 и /ч. ро—число ч. р. и ток ч. р. при на-
пряжении Пн-
Учет статистического разброса напряжения зажигания ч. р.
в отдельных включениях приводит к тому, что мощность ч. р.
зависит от напряжения более сильно, чем по (1-38). Так как
в этом случае ч. р. во включениях с наибольшим напряжением
зажигания, а следовательно, обладающие и наибольшей энер-
гией, возникают вблизи амплитуды приложенного напряже-
ния, то
Рчр^Ц.рит, (1-55)
21
Учитывая (1-54), имеем
Рч. р = А,иа'+1 =А.иа = Рч. р 0 (U/UH)a = А<Еа. (1-56)
Таким образом, учет статистического разброса напряжения
зажигания ч. р. в отдельных включениях приводит к степенной
зависимости мощности ч. р. от напряжения.
Для ч. р. возможна классификация по значению кажуще-
гося заряда, которое достаточно четко связано с физическим
механизмом развития разрядов.
Ч. р. с кажущимся зарядом q4. р= 10“15—10~14 Кл обуслов-
лены развитием электронных процессов в местах наибольшей
напряженности поля (например, у края обкладки). Развитие
таких разрядов, каждый из которых содержит порядка 106
электронов, сопровождается излучением, по интенсивности же-
стко связанным с самим разрядом.
Экспериментально было подтверждено, что зависимость
мощности таких ч. р. Рч.р от напряжения или напряженности
соответствует (1-56). Аналогично зависимость мощности излу-
чения ч. р. Рф, пропорциональной среднему фототоку /ф фото-
электрической схемы регистрации, от напряжения или напря-
женности в значительном диапазоне изменения напряженности
подчиняется соотношению:
/ф=А5Еа2, (1-57)
причем для многих видов изоляции при переменном напряже-
нии а = а2 = 4э-8.
Равенство а=а2 является следствием жесткой связи между
мощностью ч. р. и мощностью излучения:
Л,.Р = ~1/ф = й/ф. (1-58)
Аналогичные зависимости могут быть получены для постоян-
ного напряжения с той лишь разницей, что коэффициент а = а2
возрастает при этом в ряде случаев до 10—16.
При превышении некоторого порога напряжения в изоля-
ции возникают ч. р. с интенсивностью <?ч.р=10-12—10-11 Кл, по
своему механизму отличающиеся от вышеописанных. В слои-
стой пропитанной изоляции эти ч. р. представляют собой про-
бои прослоек жидкого диэлектрика между листами бумаги, т. е.
эти разряды происходят в прослойках 10—100 мкм.
Ч. р. с интенсивностью до 10-12—10-11 Кл не могут вызвать
быстрого разрушения изоляции, благодаря чему называются
начальными ч. р. Однако они вызывают старение изоляции при
длительном воздействии напряжения, являясь причиной разру-
шения диэлектрика.
22
При дальнейшем повышении напряжения в ряде случаев
в изоляционных конструкциях при определенном напряжении
интенсивность ч. р. резко возрастает, причем прежде всего воз-
растает кажущийся заряд единичного ч. р. Это может про-
изойти вследствие изменения физики развития ч. р. (например,
переход коронного разряда в скользящий разряд по поверхно-
сти диэлектрика), либо в резуль-
тате изменения в структуре диэ-
лектрика вследствие начальных
ч. р. (например, образование
дендрита в твердой изоляции;
образование пузырьков газа
в изоляции, пропитанной жид-
кими диэлектриками, вследствие
разложения диэлектриков ч. р.).
Такие ч. р. называются кри-
тическими и характеризуются
кажущимся зарядом ~ 10-10 Кл
для конденсаторной изоляции и
10~8—10-7 Кл — для аппаратной
и кабельной изоляции. Разница
в интенсивностях определяется
разницей в конструкции и струк-
туре изоляции и в объеме, в ко-
торых развиваются разряды.
Критические ч. р. приводят
к более интенсивному разруше-
нию изоляции и их возникнове-
ние резко сокращает срок служ-
бы изоляционной конструкции.
Эти разряды, так же как и
начальные ч. р., имеют степен-
ную зависимость характеристик
от напряжения (напряженности
электрического поля) в соответ-
ствии с (1-56), однако для них
показатель степени а имеет зна-
Рис. 1-8. Характерные осцил-
лограммы ч. р. при переменном
напряжении: а — начальные
ч. р.; б — критические ч. р.
чительно большие значения, чем для начальных ч. р., и обычно
лежит в пределах 12—16.
Характерные осциллограммы начальных и критических ч. р.
приведены на рис. 1-8.
1-4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
ПРИ НАЛИЧИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
При возникновении ч. р. достаточно большой интенсивности наблюдается
увеличение диэлектрических потерь за счет мощности, выделяемой при ч. р.
Это увеличение диэлектрических потерь может быть зарегистрировано по
увеличению tg 6 в изоляции испытуемого объекта.
23
При наличии ч. р. потери в диэлектрике испытуемого объекта емкостью
Сх складываются из потерь на ч. р. Рч. р и других видов диэлектрических
потерь Рд. Если tg6e, соответствующий потерям Рл, не зависит от напря-
жения, то Рд пропорциональна квадрату напряжения:
Рд=и2шСх tg 6Д= U2g,
(1-59)
где g = coCxtgd^— эквивалентная активная проводимость.
При наличии одного включения или при неизменном количестве одинако-
Рис. 1-9. Характерные зависимости
tg д от напряжения
1 — ч. р. отсутствуют; 2 — имеются ло-
кальные газовые включения, не увеличи-
вающиеся с ростом напряжения, ч. р.
возникают при напряжении иц рХ; 3 —
ч. р. возникают при напряжении (7Ч р2
р, как это следует из выражений
ростом приложенного напряжения.
В этом случае при наличии ч. р. tg б
может быть выражен следующим
соотношением:
tg й = рд + Рч-р =
С/2шСх
= (1-60)
U2o>Cx
Зависимость tg 6 от напряжения
по (1-57) имеет максимум при неко-
тором напряжении U'; значение U'
может быть определено из условия
d. tg bjdU=Q и равно 26/ч р (рис.
1-9, кривая 2). При этом предпола-
гается, что область диэлектрика, ох-
ваченная ч. р., ие увеличивается
с ростом напряжения, т. е. величина
k от напряжения не зависит.
Как указывалось выше, в большинстве изоляционных конструкций с ро-
стом напряжения растет количество мест (включений), в которых развиваются
ч. р. Кроме того, появление ч. р. приводит к разрушению диэлектрика и уве-
личению объема включений. В этом случае увеличение напряжения выше
напряжения зажигания ч. р. сопровождается резким подъемом tg 6. По
подъему tg& можно ориентировочно судить о значении U4. р (кривая 3,
рис. 1-9). Обычно при дальнейшем увеличении напряжения рост tg 6 не
прекращается до пробоя изоляции.
1-5. ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕННОСТИ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
ОТ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИКА
Возникновение частичных разрядов в изоляции с сильно
неоднородным полем. Напряжение ч. р. определяется конфигу-
рацией электрического поля и электрической прочностью изоля-
ции в области наибольшей напряженности.
Для многих изоляционных конструкций большое значение
имеет случай, когда электроды представляют собой плоские
или цилиндрические поверхности с острыми краями, между ко-
торыми находится диэлектрик (рис. 1-10, а). К рассматривае-
мому случаю относится изоляция конденсаторов, кабельных
муфт, проходных изоляторов и трансформаторов тока с изоля-
цией конденсаторного типа, изоляция электрических машин
в месте выхода из паза и т. д.
24
Для этих изоляционных конструкций толщина диэлектрика
между электродами определяет значения напряжения С7Ч. р и
средней напряженности Еч. $=U4. p/d возникновения ч. р,
У острого края обкладки возникает сильно неоднородное
поле со значительной составляющей напряженности, направ-
ленной вдоль слоев изоляции.
Напряженность поля на расстоянии г от края электрода при
r<0,ld может быть оценена [7] по следующей формуле:
(1-61)
Рис. 1-10. Некоторые конструкции образцов изоляции: а, в — электроды
с острыми краями; б, г — электроды с ослабленным краевым эффектом
Из формулы (1-61) может быть найдена зависимость Еч. р
от толщины изоляции d. Условием возникновения ч. р. у края
обкладки можно считать равенство напряженности поля на не-
котором определенном расстоянии rQ — const от края обкладки
значению Ег0, достаточному для развития разряда. Тогда
£ЛО = -—==- = const, (1-62)
\ Tidrq
и, следовательно, напряжение ч. р.
U4. p = Er0 V^d = Ad0'5. (1.-63)
Отсюда средняя напряженность ч. р.
E4.v = Ad-°'5. (1-64)
Для оценки напряженности вблизи края фольги можно вос-
пользоваться также расчетом поля пластины с закругленным
25
краем против плоскости, либо пластины с закругленным краем,
заключенной между двумя симметрично расположенными плос-
костями с одинаковым потенциалом. В этом случае напряжен-
ность у края пластины с радиусом г, расположенной на рас-
стоянии d от плоскости (или плоскостей), может быть опреде-
лена по формуле
£max = G£cpj/ (1-65)
где Ecv=Ujd, причем для малых г имеемG « —U-, а для боль-
У я
ших G—”1,0.
Электрод I
Рис. 1-11. Схема замещения диэлектрика на краю элек-
трода
Если принять, что возникновение ч. р. соответствует опре-
деленному значению максимальной напряженности на поверх-
ности электрода Ео, то при r<^d
£,.,= --%- = Л<Г“, (1-66)
G у а
где постоянная А зависит от вида ч. р.
Таким образом, зависимости напряженности ч. р. от тол-
щины диэлектрика по формулам (1-64) и (1-66) совпадают.
Аналогичная конструкция формулы следует также из рас-
смотрения схемы замещения диэлектрика на краю электрода,
согласно рис. 1-11, при развитии скользящих разрядов по по-
верхности диэлектрика. Обозначим: Ci = ei/d— емкость еди-
ницы поверхности диэлектрика относительно нижнего элек-
трода /; C2 = ks2— эквивалентная (с учетом влияния других
элементов) взаимная емкость соседних единиц поверхности ди-
электрика относительно друг друга; d — толщина диэлектрика;
Ri = pvd — сопротивление столба диэлектрика высотой d и пло-
щадью, равной единице поверхности; T?2 = ps— удельное поверх-
ностное сопротивление диэлектрика; ei и е2— диэлектрические
проницаемости диэлектрика и среды; р„— удельное эквива-
лентное объемное сопротивление диэлектрика.
26
(1-67)
зависи-
схемы
(1-68)
(1-69)
(1-70)
При переменном напряжении р„ определяется потерями
в диэлектрике (tgd) и равно
1
Ро , х •
COSj tg О
Если к электродам приложено напряжение U, то
мость напряжения Ux = f(x) рассматриваемой цепной
может быть представлена в виде:
[J —[) — х)
х sh ml
где
(l/^i) +
(1/^г) + /соСа
Напряженность вдоль поверхности диэлектрика
Ёх = = Um <*т(1-х).
dx sh ml
Наибольшая напряженность получается при х=0:
E'xmax== L^mcth ml.
Допустим, что ч. р. может возникнуть при таком напряже-
нии t/4. р, при котором Дхтах достигнет некоторого критического
значения Ео, соответствующего электрической прочности жид-
кого диэлектрика, окружающего верхний электрод. При этом
0ч Р = -£МЬЫ, (1-72)
т
где т = тг+]т{.
Для среды с высоким удельным сопротивлением, приводя-
щим к большим ps, а именно (ps> 1012 Ом), можно пренебречь
l/ps по сравнению с wC2. Кроме того, для всех технических ди-
электриков Тогда параметр т оказывается вещест-
венным и равным
т = Уе1/(/ге2б/). (1-73)
При ps< 1012 Ом, что в ряде случаев характерно для изоля-
ции, пропитанной техническими жидкими диэлектриками, в пер-
вом приближении можно пренебречь иС2.
Тогда
т = VJPs<oC2 =(! + /) V ps4>e1/(2d). (1-74)
Далее, при l^>d произведение т/>10 и thm/=»l. Поэтому,
переходя в формуле (1-72) к модулям комплексных величин,
получим для напряжения ч. р.
U4.v=E^m. (1-75)
27
Формула (1-75) при ps> I012 Ом имеет вид
4/ч. р = Ео Уke2d/ex,
(1-76)
и при ps < 1012 Ом
U4. р = Ео V d/tpsaej.
(1-77)
Как формула (1-76), так и формула (1-77) приводят к сле-
дующим зависимостям напряжения ч. р. от толщины диэлек-
трика:
f74.p = Xd0’5, (1-78)
что соответствует формуле (1-66).
На основании (1-78) для напряженности ч. р. прир3>1012Ом
£ч. р = U4. р/d = Ео Уke,2l(de1),
(1-79)
и при ps < 1012 Ом
£ч. р = Eo/Kdpscoep (1-80)
Как формула (1-79), так и формула (1-80) приводят к сле-
дующей зависимости напряженности ч. р. от толщины диэлек-
трика:
E4.„ = Ad-°'5, (1-81)
что соответствует формулам (1-64) или (1-66).
Формула (1-81) хорошо подтверждается экспериментально.
Из (1-81) видно, что напряженность ч. р. растет с умень-
шением толщины изоляции. Поэтому для повышения напряже-
ния и средней напряженности ч. р. в области острого края
электрода выгодно иметь вместо одного слоя изоляции толщи-
ной d несколько (м) тонких слоев с толщиной djn, разделенных
металлическими обкладками.
Возникновение частичных разрядов в изоляции со слабо не-
однородным полем. Для изоляции со слабо неоднородным или
однородным полем зависимости напряженности ч. р. от тол-
щины диэлектрика могут быть получены из рассмотрения экви-
валентной схемы диэлектрика со включением, согласно рис. 1-1.
Если предположить, что включение расположено парал-
лельно электродам и при относительно большой площади тол-
щина его мала, то в первом приближении поле можно считать
однородным.
Обозначим полное напряжение через и, а его составляющие
на емкостях Св и Сд — через иъ и «д. Тогда
Чд Св en (d dn)
uB Сд Вд4в
(1-82)
28
Далее
и- иъ+ ия~ «вГ1 + . (1-83)
L вд^в J
Ч. р. возникнут тогда, когда напряжение на включении ив
достигнет пробивного значения UB. 3- Таким образом
(1-84)
L £'д«в J
Найдем среднюю напряженность ч. р.
£Ч = JZiP. =: IS jl 11 ц_ _Е» AL1. (1 -85)
zf d J
После несложных преобразований будем иметь
Еч. р = Ге„ + (ед ~8в)-в 1 . (1-86)
ВдЙ в L J
Выражение (1-86) показывает, что при неизменных разме-
рах включения при ед>ев напряженность ч. р. падает с ростом
толщины диэлектрика, однако зависимость Еч. р от d в этом
случае значительно слабее, чем в сильно неоднородном поле.
При бд = ев значение Еч. р в однородном поле не зависит от тол-
щины диэлектрика.
При ед<ев напряженность ч. р. несколько возрастает с ро-
стом толщины диэлектрика.
1-6. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Эксплуатация изоляции высоковольтных конструкций на постоянном на-
пряжении показала, что ч. р. в ряде случаев оказывают существенное влия-
ние на старение изоляции. В качестве примера можно указать на различие
в сроках службы конденсаторов с твердой и с маловязкой пропиткой. У пер-
вых, благодаря наличию газовых полостей и развитию в них интенсивных
разрядов, срок службы при постоянном напряжении значительно меньше.
Ч. р. при постоянном напряжении, как и при переменном, представляют собой
пробои участков изоляции с пониженной электрической прочностью, например
газовых включений или пленок жидкого диэлектрика в слоистой изоляции.
Существенное отличие в протекании процесса на постоянном напряжении
заключается в том, что интенсивные ч. р. типа критических имеют место
только при включении напряжения или его изменении во времени. В ре-
зультате ч. р. на поверхности включений образуются поверхностные заряды
из возникающих вследствие предшествующих ионизационных процессов сво-
бодных зарядов (ионов). Дополнительное поле £ПоВ этих зарядов направ-
лено встречно основному полю, что вызывает ослабление результирующей
напряженности во включении.
В момент погасания разряда результирующая напряженность £роз равна
напряженности погасания £в.п:
£рез — Ев. н £о пов = £в. п, (1’87)
где £в. и — напряженность во включении, создаваемая приложенным напряже-
нием в предположении отсутствия в нем разряда. Схематически это показано
на рис. 1-12.
29
В дальнейшем после погасания разряда происходит стекание поверхност-
ного заряда (?пов через проводимость бумаги н пропитывающего состава.
При этом напряженность, созданная поверхностными зарядами, изменяется
по закону
ЕдоВ = Ед ПОВ I и- (1-88)
В этом выражении ти — постоянная времени стекания поверхностного
заряда через проводимость диэлектрика:
ти = руе, (1-89)
Рис. 1-12. Изменение результирую-
щей напряженности во включении
при воздействии постоянного напря-
жения: а — напряженность поля,
создаваемая приложенным напряже-
нием; б — напряженность поля, соз-
даваемая поверхностным зарядом;
в — результирующая напряженность
во включении
где ри и е — удельное объемное
сопротивление и диэлектрическая
проницаемость изоляции.
Для установившегося значе-
ния приложенного постоянного
напряжения условием повторного
ч. р. является равенство
£опов О — е~Л/ти) =
= £в. з Ев. п* (1-90)
В результате стекания заря-
да напряженность во включении
возрастает и следующий ч. р.
произойдет, когда напряженность,
создаваемая поверхностным заря-
дом, уменьшится на величину,
равную разности между напря-
женностями зажигания EBs3 и
погасания Ев. п ч. р.
Если (Ев. з — Ев. П)/Ев. з —
и Ео поВ/Ев. з —т2, то интервал
времени Д? между ч. р. в рас-
сматриваемом включении на ос-
новании выражений (1-87) и
(1-90) равен
Д/=ти1п------. (1-91)
m2 —
Так как для постоянного на-
пряжения обычно то
In---, (1-92)
т2 — mi т2
и выражение (1-92) принимает следующий вид:
М = ти = тн Ев'3— Ев-П^. (1-93)
^2 Ео пов
Учитывая также, что при значительном приложенном напряжении на
основании (1-87), ЕВ.П<ЕВ. н, получим
Ео ПОВ ~ Ев. н (1-94)
и
,ЕВ. з Ев-П Uз L п
Д t = Tjj р Ти у-.
Ев. н
(1-95)
Таким образом, при заданной постоянной времени изоляции ти интервал
между ч. р. будет определяться степенью превышения приложенного напря-
30
жен и я U над напряжением зажигания t/a или погасания U'u ч. р. Обычно
Ти при температуре 20° С составляет сотни и тысячи секунд, что приводит
к интервалам между ч. р. во включении порядка секунд или десятков секунд.
Это на несколько порядков меньше, чем при напряжении промышленной
частоты.
Характерные осциллограммы ч. р. при постоянном напряжении приве-
дены на рис. 1-13.
На постоянном напряжении даже при наличии острого края электрода
ч. р. развиваются по всей площади электрода. Это объясняется ослаблением
краевого эффекта вследствие значительной продольной проводимости про-
слоек жидкого диэлектрика по сравнению с поперечной проводимостью бу-
мажно-пропитанной изоляции. Следует также отметить, что напряженности
начальных ч. р. при постоянном напряжении значительно выше, чем при
переменном.
Рис. 1-13. Характерные осциллограммы частичных разрядов при
постоянном напряжении: а — 20° С; б — 80° С
Для изоляции с резко неоднородным полем на краю электрода измене-
ние толщины диэлектрика практически не сказывается на напряженности
ч. р., что объясняется отсутствием влияния краевого эффекта электродов.
При постоянном напряжении, как и при переменном, зависимости тока
и мощности ч. р. от напряжения (напряженности) выражаются формулами:
/ £ \а2 / £ \аз
1ч. р=/ч. ро —---- , (1-96) Рч.р=Рч.Ро —-------- _у|4£а31 (1-97)
\ЬЧ. р / \£ч. р /
однако в этих зависимостях показатели степени аг н а3 существенно больше:
так, например, для бумажно-масляной изоляции аг=9 и а3=10. Для отдель-
ных образцов значение а3 колеблется от 8 до 14.
Характеристики ч. р. при постоянном напряжении существенно зависят
ют температуры изоляции.
С ростом температуры уменьшается постоянная времени ти стекания за-
рядов, образующихся на поверхности включений. Это происходит как за счет
увеличения проводимости (уменьшения объемного сопротивления) [см. фор-
мулу (1-89)], так н за счет увеличения скорости диффузии поверхностных
зарядов. Учет диффузии зарядов приводит к соотношениям для интервала
времени между ч. р., аналогичным (1-95), в которых постоянная времени
обратно пропорциональна коэффициенту диффузии D:
xn = A/D. (1-98)
Величины D и у=1/рв приблизительно одинаково зависят от температуры:
у = e~BJT « у0 (1-99)
31
и
D —е~ BJT х Doeb{b~^ , (1-100)
где Bi, B2, Въ, Bt и b — некоторые константы, не зависящие от температуры;
Vo и Do — соответственно удельная проводимость и вязкость при Ф=ФО.
Учитывая что пч. Р=1/Д/, ход зависимости тока и мощности ч. р. от
температуры вне зависимости от причин, определяющих стекание поверх-
ностных зарядов, должен быть
одинаковым и отвечающим выра-
жению
/ч.р= 1ч.роеЬ(1>_&о>. (1-Ю1)
Рис. 1-14. Зависимость тока ч. р. /Ч.Р
от температуры изоляции, d=80 мкм,
£=200 кВ/мм. Пропитка конденса-
торным маслом
Рис. 1-15. Зависимость напряжен-
ности ч. р. от температуры при по-
стоянном напряжении; бумага
КОН-П, пропитанная конденсатор-
ным маслом, rf=80 мкм
Эта зависимость хорошо под-
тверждается экспериментальными
данными при 6 = 0,09 К-1 (рис.
1-14).
Проведенные исследования по-
казали наличие существенной за-
висимости напряжения ч. р. от
температуры изоляции. На рис.
1-15 приведены зависимости на-
пряженности начальных ч. р. от
температуры диэлектрика для об-
разцов из конденсаторной изоля-
ции. Как следует из этого рисун-
ка, с ростом температуры напря-
женность ч. р. существенно падает.
В исследованном диапазоне тем-
ператур от 10 до 100° С эта за-
висимость для конденсаторной
изоляции толщиной 80 мкм из
бумаги КОН-П (8 Листов по
10 мкм) имеет вид:
Еч. р = 160 е~ 0,02 “ ’%) , (1-102)
где Е — напряженность, кВ/мм;
6 — температура, °C (Фо = 20° С).
Полученную зависимость на-
пряженности ч. р. от температу-
ры можно объяснить следующим
образом.
Регистрация напряжения на-
чальных ч. р. производится при
интенсивности регистрируемого
процесса, определяемой методи-
кой регистрации и чувствитель-
ностью примененной схемы реги-
страции.
Так как с ростом температу-
ры существенно растет интенсив-
ность ч.. р., главным образом за
счет увеличения числа ч. р. в секунду, то это обстоятельство может являться
причиной снижения напряжения начальных ч. р. с ростом температуры.
Можно считать, что напряженность начальных ч. р. £н определяется пс
появлению начальных ч. р., кажущийся заряд q4. Ро которых зависит от чув-
ствительности схемы или является нормированным, при определенном (нор-
мированном) числе ч. р. в секунду пч. Ро. В этом случае напряженности на-
чальных ч. р. соответствует определенный ток ч. р.
32
Так, например, в опытах, соответствующих рис. 1-16, было принято
пч. ро=1О~2 с-1, q4. Ро= Ю~14 Кл, при этом 1ч: Ро= 10~16 А.
Вследствие возрастания тока ч. р. (за счет увеличения числа ч. р.) с тем-
пературой происходит снижение регистрируемого значения Ея. Действительно,
если при температуре Фо для напряженности
начальных ч. р. Еи 0 имеет место ток ч. р.
1ч. р о, то при другой температуре Ф этот же
ток 1ч. р о будет иметь место при другой на-
пряженности начальных ч. р. E,i;>. Поэтому на
основании (1-96) и (1-101) можно получить:
£н» = £во« щ (1-103)
Например, для изоляции конденсаторов,
пропитанных конденсаторным маслом, при
а2=9 и 6=0,09 имеем
EH^EHOe-i0~2^-^. (Ы04)
Согласно (1-104) повышение температуры
от 20 до 80° С должно приводить к уменьше-
нию напряженности начальных ч. р. прибли-
зительно в два раза. Эксперименты [см. фор-
мулу (1-102)] хорошо соответствуют получен-
ному выражению, хотя количественно
наблюдается несколько более сильная зависи-
мость — при изменении температуры в ука-
занном диапазоне напряженность начальных
ч. р. изменяется приблизительно в три раза,
что можно объяснить дополнительным влия-
нием ряда неучтенных факторов (например,
зависимостью электрической прочности жид-
кого диэлектрика от температуры).
Для уточнения влияния проводимости и
вязкости жидких диэлектриков на характери-
стики ч. р. были поставлены опыты на образ-
цах конденсаторной изоляции, пропитанной
трансформаторным, конденсаторным и ка-
бельным (С-220) маслами. Трансформаторное
и конденсаторное масла, имея примерно оди-
наковую вязкость, различались по проводи-
мости на полтора-два порядка; конденса-
торное и кабельное (С-220) масла, наоборот,
имели весьма близкие значения проводимости,
но по вязкости различались в 4—10 раз. Отме-
тим, что проводимость масел измерялась при
относительно низкой напряженности 1 кВ/см.
Характеристики использованных изоляционных
масел приведены в табл. 1-1.
Результаты опытов, приведенные на рис.
1-16, показывают, что при пропитке конденса-
торным и трансформаторным маслами кривые
практически совпадают, а при пропитке ка-
бельным маслом (кривая 2) ток ч. р. на по-
стоянном напряжении заметно ниже. Это подтверждает сказанное выше
о том, что известное значение в развитии ч. р. на постоянном напряжении
играют процессы диффузии, определяемые вязкостью пропитывающего со-
става. Этим можно объяснить экспериментальные данные, по которым на
2 Г. С. Кучинский
Рис. 1-16. Зависимость
тока ч. р. от напряжения
(d=80 мкм, 80° С)
1 — пропитка конденсатор-
ным нли трансформаторным
маслом; 2 — пропитка вяз-
ким кабельным маслом
33
Таблица If
Характеристика изоляционных масел,
использованных для пропитки образцов изоляции
при различной температуре 8-
Масло Удельная проводимость -у, См/м Вязкость кинемати- ческая, сСт
20° С 80°С 20°С 80°С
Конденсаторное 1,3-10~15 3,2-10—14 40 5
Трансформаторное 6,6-10~и 1,6-10—12 30 4
Кабельное С-220 1-ю-15 2,5-10-4 300 16
постоянном напряжении лучшими характеристиками обладает изоляция, про-
питанная более вязким пропитывающим составом.
Из кривых рис. 1-16 также следует, что изменение проводимости про-
питывающего состава, измеренной при низких напряженностях электриче-
ского поля, не оказывает существенного влияния на изменение характеристик
ч. р. при постоянном напряжении. Это может быть объяснено тем, что сте-
кание зарядов, образующихся на поверхности включения, происходит при
значительно более сильных напряженностях, близких к пробивным для жид-
кого диэлектрика, н в этом случае значения проводимостей могут быть су-
щественно отличными от измеренных при низких напряженностях.
1-7. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Во многих случаях основной причиной пробоя диэлектрика, работаю-
щего в импульсном режиме или при многократных импульсных воздействиях,
являются ч. р.
Развитие ч. р. в отдельных областях изоляции (включениях) при им-
пульсном напряжении принципиально не отличается от того, что имеет место
при переменном синусоидальном напряжении.
Рассмотрим воздействие на изоляцию затухающих колебательных им-
пульсов напряжения [26]. Будем считать, что воздействующий импульс на-
пряжения (например, разряд конденсатора на индуктивную нагрузку) имеет
вид затухающей косинусоиды (рис. 1-17). В этом случае
u=Um(cos<£>t------——sino>Z)e “к* , (1-105)
со
где aK = r/(2L); (о = > г — активное сопротивление контура и
L — индуктивность контура. При малом затухании aK<^w и
и = Um cos со t ё~ “к *. (1-106)
Как было показано в § 1-3, количество ч. р. за один полупериод на-
пряжения промышленной частоты определяется выражением (1-34). При
приложении затухающего колебательного импульса напряжения число ч. р.
за один импульс может быть определено аналогичным образом. При этом
34
число разрядов т} за первый полупериод приложенного напряжения
(рис. 1-17) может быть определено из соотношения:
+ , , ит+и,-и’п
т1 —------------------1- 1 = ------------, (1-107)
где A U — (UB. з — Uв. п)/т] = Л Ub/t] и г] = СД/(СД + Св) (см. эквивалент-
ную схему, рис. 1-1).
Рис. 1-17. Развитие ч. jp. в изоляции при импульсном напряжении
Соответственно за k-й полупериод:
U k Л + У*-|-1 Л — (Ув. з + У в. п)
mk = —---------------------------------------
+ 1 =
Uв. 3 УВ. п
У*+У^1-2У'П
A U
(1-10'8)
где U'a = UB. п/т); Um = U\ — значение зарядного напряжения;
туда £-го максимума, и
/ Т \
Uk = Uk+lexp\^------2~aKJ’
Un — ампли-
(1-109)
где ctK—коэффициент затухания контура разряда конденсатора.
Ч. р. будут иметь место до тех пор, пока амплитуда напряжения на
включении не станет ниже напряжения зажигания ч. р. UB, з. Число таких
полупериодов п будет определяться из соотношения:
2*
/ Т \
Утехр I — ~^~ак п ) = У3 или
2
Т ак
1п
Уз
(1-110)
35
п =
Общее число разрядов за один импульс воздействующего напряжения та
может быть определено как
(1-111)
п
«и = 2 mk-
fe=l
Учитывая (1-107) и (1-108), получаем
2п£7п 1.(1-112)
Энергия, рассеиваемая при единичном ч. р., определяется (1-14).
Зная энергию ч. р. И7Ч. р, можно определить энергию, затраченную на
ч. р. за один нмпульс приложенного напряжения
rH=F4pm„. (1-ИЗ)
Число эквивалентных полупериодов k3=malm~ при замене одного им
пульса синусоидальным напряжением с одинаковой амплитудой Um на
основании (1-34) и (1-112) равно
k4- т'л - 1 + ехр - Я я п (1-114)
tn Т \ 1 ит
~ 2 1 — ехр „ “к — 1
2 / Un
При Ub. з~и*. п, учитывая выражение для декремента колебаний
имеем А =еГ“к’ (1-И5)
1— (1-116)
2(У А — 1) Д'12 — 1
При 17в.п^£/в.а
>Т.+ 1
2(/Л -1) '
Так как в большинстве случаев в изоляции имеют место различные
включения с различными значениями величин £7В. 3 и (7в.п, то с ростом
амплитуды напряжения увеличивается не только количество ч. р. в каждом
включении, но и количество мест (включений), в которых возникают раз-
ряды. Учет статистического разброса в напряжении зажигания отдельных
включений, по аналогии с (1-53), приводит к следующей зависимости числа
ч. р. за один полупериод синусоидального напряжения от амплитуды этого
напряжения:
m~ = AUa^, (1-И8)
где а=54-7.
Тогда за k-й полупериод число разрядов
mk = A Uak',
(1-Н9)
где
Uk — t/mexp
kT
----ак
2
(1-120)
36
Общее число п полупериодов, вызывающих появление ч. р., определяется
выражением (1-110).
Общее число ч. р. т„ за один колебательный импульс воздействующего
напряжения будет
n n I kT \ 1 — Д П'2
= ^тк = Лиат 2 ехР( —“У-ак“1 ) = л (ь121>
fe=i fe=i v ' 1 — Д
При переходе от импульсных воздействий на эквивалентное воздействие
синусоидального напряжения с амплитудой, равной амплитуде импульса,
каждый импульс может быть заменен эквивалентным числом полуперио-
дов ks. Согласно (1-118) и (1-121),
. —а,п/2
^=^ = 1^--------------- (1-122)
т~ , . —а,/2
1 — д
При слабо затухающих колебаниях
k3 = (1-Д_а,/2)-1. (1-123)
Если колебательный импульс имеет сильное затухание (Д>1,5), то
Лэ®1.
Экспериментальное исследование зависимости числа ч. р. за один импульс
от амплитуды напряжения подтверждают зависимости (1-119) и (1-121).
2-1. ЦЕЛИ ИЗМЕРЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
И ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Измерения характеристик ч. р. производятся при испытании
изоляции высоким переменным, постоянным или импульсным
напряжениями. Обычно эти измерения [14, 59] выполняются
с целью: а) установить, что в изоляции испытуемого объекта
нет ч. р., измеряемые характеристики которых превышают нор-
мированное (заданное) значение при нормированном (задан-
ном) напряжении; б) определить напряжение возникновения и
напряжение погасания ч. р.; в) установить, что интенсивность
ч. р. в изоляции испытуемого объекта не изменяется во время
действия нормированного (заданного) напряжения более, чем
на нормированное (заданное) значение; г) определить интен-
сивность ч. р. при нормированном (заданном) напряжении.
37
В результате измерения характеристик ч. р. в готовых изде-
лиях может быть определено качество изготовления изделия и
выявлены конструктивные или технологические дефекты. В ряде
случаев, главным образом на основании испытаний образцов
изоляции, можно прогнозировать срок службы и определять
допустимые рабочие и испытательные напряженности.
Характеристиками ч. р. являются: кажущийся заряд q4,р
единичного ч. р.; частота следования пч. Р; средний ток 1Ч, р
(1-18) — (1-20); энергия W4. р единичного ч. р.; средняя мощ-
ность Рч.р (1-21) — (1-24); квадратичный параметр /)ч.р
(1-25) — (1-27). В процессе измерения могут быть количественно
определены одна или несколько характеристик ч. р.
В соответствии с [14] при испытаниях изоляции непосредст-
венно должны измеряться кажущийся заряд q4.p и частота сле-
дования ч. р. пч. р. Средний ток /ч. р и средняя мощность Рч. р
могут определяться либо непосредственными измерениями,
либо расчетным путем. Энергия единичного ч. р. 1ГЧ. р обычно
определяется расчетным путем.
Так как ч. р. имеют статистическое распределение по значе-
нию .кажущегося заряда, то в ряде случаев важно отметить
наибольший кажущийся заряд за время испытания.
Статистическое распределение количества ч. р. в единицу
времени пч. р по величинам их зарядов q4. р часто называют ам-
плитудным спектром ч. р. При исследованиях ч. р., кроме ука-
занных выше характеристик, целесообразно регистрировать
амплитудный спектр ч. р., так как из таких спектров можно по-
лучить более полную информацию о характеристиках ч. р. Так,
площадь амплитудного спектра равна среднему току /ч. р; по
спектру легко определяется заряд ч. р. с заданной частотой
следования, что бывает необходимо для прогнозирования
срока службы изоляции.
Для определения качества изоляции иногда информативной
может явиться форма амплитудного спектра ч. р., которая ха-
рактеризуется координатами точек, лежащих на спектре. Ма-
тематическая обработка совокупностей координат этих точек
с помощью методов, применяемых в теории распознавания об-
разов, может дать ценную информацию как о физике слож-
ного процесса ч. р., так и о качестве исследуемой изоляции.
2-2. МЕТОДЫ И СХЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Методы регистрации ч. р., описанные в современной техни-
ческой литературе, можно разделить на две группы.
1. Неэлектрические методы. Р е г и ст р а ц и я свечения
ч. р. (оптический метод). Этот метод применяется пре-
имущественно при проведении научных исследований. Он поз-
38'
воляет регистрировать ч. р. главным образом на краях элек-
тродов. Применение прозрачных электродов (например, стекол
с прозрачным проводящим слоем) позволяет регистрировать
ч. р. под электродом. Применение фотоэлектронных умножите-
лей позволяет регистрировать свечение от ч. р. до 0,001 пКл.
Этот метод обладает высокой чувствительностью, возможно-
стью определить место возникновения ч. р., хорошей помехоза-
щищенностью.
Регистрация ч. р. внутри непрозрачных изоляционных конст-
рукций таким методом невозможна.
Акустический метод. Преимущество этого метода —
возможность регистрации ч. р. внутри непрозрачных объектов
большой емкости, т. е. там, где применение других методов за-
труднительно. Чувствительность этого метода ниже, чем у оп-
тического, и существенно зависит от толщины и звукоизоляци-
онных свойств диэлектрика (минимальное значение внутренних
ч. р., обнаруживаемых на слух, 1000 пКл при толщине твердой
изоляции в 5 мм).
Специальные микрофоны позволяют повысить чувствитель-
ность акустического метода до 50 пКл и, например, в силовых
трансформаторах или кабелях определять место, где возни-
кают ч. р.
2. Электрические методы. Чувствительность этих методов
выше, чем чувствительность неэлектрических методов, поэтому
в настоящее время они нашли более широкое применение. Элек-
трические методы можно разделить на три вида:
Косвенные методы регистрации ч. р. К ним
относятся методы, позволяющие определять диэлектрические
потери с помощью измерения tg 6 изоляции или измерения
вольт-кулоновых характеристик и получать зависимости tg 6 от
напряжения. Эти методы дают представление о напряжении
возникновения ч. р. (например, по резкому увеличению tg 6) и
об их мощности (по площади циклограммы или по tg6). По-
скольку при измерениях этим методом происходит суммирова-
ние различных видов потерь в диэлектрике, то затруднено вы-
деление потерь, вызванных непосредственно ч. р. Кроме того,
эти методы обладают малой чувствительностью.
Регистрация ч. р. с помощью антенн. Схемы,
применяемые в этом случае, рассчитаны для работы в диапа-
зоне метровых или сантиметровых волн и иногда применяются
при профилактических испытаниях изоляции ЛЭП; для реги-
страции ч. р. в других изоляционных конструкциях практиче-
ски не используются.
Регистрация высокочастотных колебаний,
возникающих при ч. р. в изоляции. Эти схемы нашли наиболее
широкое распространение, так как позволяют надежно изме-
рять основные характеристики ч. р. и обеспечить высокую
39
чувствительность (минимальный регистрируемый заряд в ряде
случаев составляет 10~14—10~15 Кл).
В дальнейшем будут рассмотрены именно эти схемы. Ос-
новные варианты схем приведены на рис. 2-1. В состав каждой
из них входят: источник
Рис. 2-1. Схемы устано-
вок для измерения ха-
рактеристик ч. р.
Ф — фильтр верхних частот;
У — усилитель; ЭО — элект-
ронный осциллограф; Сч —
счетчик импульсов
регулируемого высокого напряжения—
испытательный трансформатор (ИТ);
испытуемый объект Сх; соединитель-
ный конденсатор Со, служащий для
создания пути замыкания импульсов
тока ч. р.; измерительный элемент z;
измерительное устройство (ИУ), под-
ключаемое параллельно измеритель-
ному элементу. Между источником
высокого напряжения и остальной
частью схемы в большинстве случаев
включается фильтр для подавления
внешних помех Зф или защитное со-
противление.
Источник регулируемого высокого
напряжения и соединительный кон-
денсатор не должны иметь ч. р., ме-
шающих измерениям характеристик
ч. р. в испытуемом объекте. Измери-
тельный элемент z может представ-
лять собой резистор (активное сопро-
тивление) или катушку индуктив-
ности.
Система шин установки должна
быть выполнена трубами или другим
способом, исключающим возникнове-
ние короны в воздухе или разрядов,
мешающих измерениям характеристик
ч. р. до требуемого напряжения.
На рис. 2-1, а приведена схема со
включением измерительного элемента
в ветвь заземления испытуемого объ-
екта, на рис. 2-1,6 — схема со вклю-
чением измерительного элемента в
ветвь заземления соединительного
конденсатора, и на рис. 2-1, в — мо-
стовая схема.
В зависимости от характера сопротивления (активного или
индуктивного) измерительного элемента и места его подключе-
ния, схемы рис. 2-1, а и б бывают апериодическими или коле-
бательными.
В мостовой схеме (рис. 2-1, в) рекомендуется применять из-
мерительный элемент, состоящий из двух регулируемых мало-
индуктивных активных сопротивлений.
40
Активное сопротивление рекомендуется использовать при
применении широкополосного измерительного устройства; ка-
тушку индуктивности — при применении узкополосного изме-
рительного устройства. Между измерительным элементом и
входом Свх измерительного устройства ИУ в ряде случаев це-
лесообразно включение согласующего трансформатора (глав-
ным образом при измерении характеристик ч. р. в образцах
большой емкости).
При соответствующем выборе параметров схем их чувстви-
тельности одинаковы. Схема рис. 2-1, а обычно применяется
в тех случаях, когда один из
выводов испытуемого объекта
может быть разземлен. В ос-
тальных случаях используется
как схема рис. 2-1, а, так и
схема рис. 2-1, б. Мостовую
схему применяют обычно для
уменьшения влияния электри-
ческих помех.
Проблема помехозащиты
наиболее актуальна при реги-
страции слабых ч. р. и осо-
бенно в изделиях большой
емкости; так, например, один
и тот же по величине ч. р. бу-
дет давать сигнал на входе
усилителя, равный 100 мВ при
Сж=100 пкФ, ЮХ мкВ при
Сж=1 мкФ и 0,1 мкВ при
гистрация таких слабых сиги.
Рис. 2-2. Принцип ослабления сиг-
нала от внутренних помех с помо-
щью мостовой схемы. (Обозначения
см. рис. 2-1)
Сж=100 мкФ. Надежная ре-
[ов является весьма сложной
проблемой.
Электрические помехи, затрудняющие, а иногда и делаю-
щие невозможной регистрацию ч. р., принято разделять на
внутренние (зависящие от напряжения на образце) и внешние
(не зависящие от этого напряжения). К внешним помехам от-
носятся собственные шумы усилителя ИУ, электрические сиг-
налы, наведенные на элементы измерительной схемы (при ра-
боте радиостанций или соседних установок) или возникшие
в сети питания. Внутренними помехами считаются сигналы, вы-
званные, например, коронными разрядами, возникающими на
элементах высоковольтной схемы или вводах изделия.
Одним из способов борьбы с помехами является рациональ-
ный выбор схемы измерений. Наиболее помехозащищенной схе-
мой является мостовая. Она позволяет избавиться от большин-
ства видов помех (кроме помех, возникающих в контуре зазем-
ления) и регистрировать ч. р. даже на импульсном напряжении.
Принцип ослабления сигнала от внутренних помех (главным
образом, помех от короны в схеме) поясняется рис. 2-2. Так как
41
источник внешних помех (например, корона) обладает преиму-
щественно емкостью на землю, то ток 1и от источника помех,
замыкаясь на землю, создает встречное падение напряжения на
элементах измерительного сопротивления г, включенных после-
довательно с емкостями Сх и Со (см. рис. 2-2). Сопротивление
этих элементов, а также емкость Сдоп, подключаемая для ком-
пенсации паразитной емкости элементов либо в точке а, либо
в точке б, могут быть подобраны таким образом, чтобы напря-
жение на входе ИУ от помехи было бы близким к нулю. В то
же время ток ч. р. /ч. р вызывает согласное падение напряже-
ния на обоих элементах измерительного сопротивления, кото-
рое полностью регистрируется ИУ.
Экранирование измерительных цепей также весьма эффек-
тивный способ подавления внешних помех, позволяющий сни-
зить их влияние на 2—3 порядка. В большинстве случаев экра-
нируются не только ИУ, но и все помещение, в котором про-
изводятся испытания. Внутренние помехи, а также помехи,
возникающие в сети питания, этим способом устранить невоз-
можно. Устранение последнего вида помех возможно при уста-
новке в сеть питания разделительных трансформаторов, фильт-
ров или при питании схемы от автономной сети.
Для устранения внутренних помех необходимо повышение
напряжения возникновения короны на элементах высоковольт-
ной схемы путем увеличения диаметра проводов, сглаживания
острых углов и т. п. С помощью этих мер напряжение возник-
новения короны удается повысить до 900 кВ при минимальном
регистрируемом заряде 1—5 пКл. В ряде случаев удается раз-
личать внешние и внутренние помехи по их полярности. Обычно
сигналы от ч. р. имеют одинаковую структуру на положитель-
ной и отрицательной полярности напряжения, а сигналы от ко-
роны существенно зависят от полярности: на положительной
полярности чаще всего возникают редкие мощные сигналы от
стримерной короны, а на отрицательной — большее количество
сигналов значительно меньшей амплитуды.
Одним из методов борьбы с внешними помехами является
регистрация ч. р. в течение небольшого промежутка времени;
например измерение ч. р. за один полупериод или при кратко-
временной подаче высокого напряжения. Возникновение ч. р.
одновременно с началом измерений помогает отличить ч. р. от
внешних помех, однако этот способ неэффективен при непре-
рывных внешних помехах.
Влияние помех может быть снижено также с помощью со-
ответствующей методики регистрации ч. р., например, измере-
ние характеристик ч. р. отдельно на полупериодах, имеющих
отрицательную и положительную полярность, измерение мак-
симального заряда ч. р., измерение отношения полезного сиг-
нала к размеру помех, попеременная регистрация ч. р. с по-
мощью измерительных элементов и измерительных устройств,
42
настроенных на различные частоты. Эффективность ряда мер
значительно снижается, если помехи имеют спектр, близкий
к спектру ч. р. (например, при внутренних помехах).
Рассмотрим процессы, протекающие в схеме при наличии
ч. р. в испытуемом объекте. При возникновении в изоляции ч. р.
напряжение на емкости Сх испытуемого образца скачком па-
дает, уменьшаясь на
ДСЛ = -^Ч (2-1)
где Cs = ---С°Свх----суммарная емкость образца и всех
Со 4- Свх
элементов, подсоединенных параллельно образцу. При Свх<ССо
изменение напряжения на объекте ^Ux = q4.vICx.
Длительность скачка напряжения определяется длительно-
стью процесса пробоя включения, которая, как указывалось
в § 1-1, составляет (3—10)•10-9 с.
Можно принять, что снижение напряжения на образце на
ДГД происходит по экспоненциальному закону
Д«х=Д[/Д1-е""ТчР), (2-2)
где тч. р — постоянная времени, определяемая физикой разви-
тия разряда во включении; тч. р в большинстве случаев равна
(1—3)-10~9 с. Так как в применяемых схемах для измерения
характеристики ч. р. тч. Р существенно меньше, чем постоянная
времени схемы измерения тсх, то в первом приближении можно
принять форму изменения напряжения на образце при ч. р.
в виде прямоугольного импульса с бесконечно крутым фронтом.
В первый момент времени напряжение в схеме будет распре-
деляться обратно пропорционально емкостям, и импульс на-
пряжения, возникающий в первый момент на входе ИУ,
ДГ/вх0 = Д[/х
1/Свх _ Р
—!—I—!— сх Ц- свх + свх——
свх Со Со
<7ч. р
Сех
(2-3)
где Сех — эквивалентная емкость схемы, которая участвует
в распределении заряда q4, р:
Ссх — Сх-\~Свх.-}-СвхСх/С0. (2-4)
Из (2-3) видно, что для того, чтобы получить максимальное
значение Д17вхо необходимо входную емкость Свх ИУ сделать
возможной малой: СВХ<СО; Свх<сСх. При этом ДПВХД£/Ж.
43
Если на входе усилителя включено активное сопротивление
R, то сигнал на входе имеет форму экспоненты (рис. 2-3, а):
где а=1/тсх; тох— постоянная времени схемы:
Амвх = Д£7вхОе~а\ (2-5)
Рис. 2-3. Сигналы на входе усилителя и их спектры: а — сигнал ДуВх =
= ДС,вховхр(—at); б — сигнал Д^вх = ДС/вхоехр(—at) (cos oW—— sincooO;
<1>о
в — спектр сигнала а; г — спектр сигнала б
С3—эквивалентная емкость схемы относительно входа ИУ
CS = CBX + -СоСх . (2-7)
'-'О -г
Если на входе ИУ включена катушка индуктивности L, то
форма входного сигнала имеет вид затухающих колебаний
(рис. 2-3, б):
A uBX = Д UBX 0 е а7соз(о0/-— sin(o0/V (2-8)
\ «о /
где
а = -Г7-; (»о=]/ ~------’ (2-9)
L, Сэ
RK— активное сопротивление катушки; L — индуктивность ка-
тушки.
44
Так как обычно а2 , то ю0 ~.
Для измерения кажущегося разряда ч. р. целесообразно
иметь схему с ИУ, показания которого пропорциональны за-
ряду, протекающему через измерительный элемент г, включен-
ный на входе ИУ.
Рекомендуемая структура ИУ показана на рис. 2-1.
Рассмотрим, каким требованиям должны удовлетворять ха-
рактеристики элементов схемы, чтобы амплитуда напряжения
Д(7Вхо на входе ИУ была пропорциональна заряду, протекаю-
щему через г.
В соответствии с (2-3) имеем
<7ч. р ~ «Сох, (2-Ю)
т. е. амплитуда напряжения на входе ИУ пропорциональна ка-
жущемуся заряду ч. р. <7ч.р- Выражение (2-10) получено исходя
из предположения, что источник ч. р. заменен генератором
скачкообразных импульсов, соединенным последовательно с ис-
пытуемым объектом Сх, причем фронт этого импульса предпо-
лагается прямоугольным. В действительности длительность
фронта Д. р этого скачкообразного импульса имеет конечную
длину, определяемую длительностью протекания процессов про-
боя единичного включения (/ч.р~3тч.р)•
Амплитуда импульса на входе усилителя At/Bxo пропорцио-
нальна скачку напряжения на образце \UX в том случае, когда
постоянная времени измерительной схемы тсх больше длитель-
ности фронта t4. р, т. е.
/ч.р<0,1тсх. (2-11)
Условие (2-11) является необходимым для выполнения вы-
ражения (2-10).
При постоянных времени тсх, соизмеримых с t4.р или мень-
ших, условие (2-10) не будет соблюдаться. Если измеритель-
ный элемент z представляет собой резистор с сопротивлением
R, то при тСх<С^ч. р на сопротивлении будет фиксироваться на-
пряжение, пропорциональное току, протекающему через обра-
зец, и для оценки заряда Qh, протекающего через сопротивле-
ние R, необходимо регистрировать форму импульса тока за
время t4. р:
^(0- Дц*(/)- (2.12)
А
И
*ч. р
Q«= f (2-13)
о
Такая оценка заряда приводит к существенным техническим
трудностям и вряд ли может быть рекомендована.
45
2-3. ТРЕБОВАНИЯ К УСТРОЙСТВАМ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
ИУ, применяемое для измерения характеристик ч. р., должно
измерять одну или несколько из следующих величин: кажу-
щийся заряд q4. р, частоту следования пч. р, средний ток 1Ч. р,
средний квадрат кажущихся зарядов D4, р и среднюю мощность
Рч. р разрядов. В ряде случаев для измерения интенсивности ч. р.
применяется измеритель радиопомех.
Для измерения кажущегося заряда должно применяться ИУ,
показания которого пропорциональны заряду, протекающему
через измерительный элемент z, включенный на входе ИУ.
Обычно устройство для измерения кажущегося заряда состоит
из следующих элементов (рис. 2-1): фильтра верхних частот Ф,
усилителя У, отсчетного или индикаторного устройства (элек-
тронный осциллограф ЭО или амплитудный импульсный вольт-
метр). Рекомендуется дополнительно применять амплитудный
дискриминатор и самопишущие приборы. Для визуального на-
блюдения за ч. р. целесообразно применять электронный осцил-
лограф.
Для измерения частоты следования ч. р. применяется ИУ,
позволяющее определить среднее количество ч. р. в одну се-
кунду с кажущимся зарядом, значение которого превышает за-
данный уровень или находится в интервале заданных уровней.
ИУ для измерения частоты следования ч. р. определяет количе-
ство импульсов обеих полярностей. Допускается измерение ко-
личества импульсов одной полярности с последующим удвое-
нием результатов измерения. ИУ для измерения частоты сле-
дования ч. р. состоит из следующих элементов: фильтра
верхних частот, усилителя, амплитудного дискриминатора, от-
счетного или индикаторного устройства (счетчик импульсов
или измеритель скорости счета).
Для измерения среднего тока ч. р. применяются ИУ, пока-
зания которых пропорциональны значению среднего тока раз-
рядов. ИУ для измерения тока ч. р. состоит из следующих эле-
ментов: фильтра верхних частот, широкополосного усилителя,
выпрямительного устройства, отсчетного или индикаторного
устройства (прибор средних значений). Показания прибора
средних значений должны быть пропорциональны сумме абсо-
лютных значений амплитуд импульсов напряжения, поступаю-
щих на вход прибора за одну секунду. Допускается измерение
среднего тока ч. р. одной полярности с последующим удвоением
результатов измерений. Рекомендуется дополнительное приме-
нение самопишущих приборов.
Для измерения одной из характеристик ч. р. в нескольких
заданных интервалах ее значений применяются многоканальные
ИУ, содержащие несколько параллельных каналов. Отдельные
46
элементы различных каналов могут быть раздельными или
общими.
Для измерения нескольких характеристик ч. р. могут быть
применены ИУ, в которых отдельные элементы (например,
фильтр верхних частот, широкополосный усилитель) являются
общими для нескольких измерительных каналов, каждый из
которых измеряет одну из требуемых характеристик ч. р.
Для измерения характеристик ч. р. по мостовой схеме
(рис. 2-3, в) используется усилитель с симметричным входом
либо применяется симметрирующий трансформатор и усили-
тель с несимметричным входом.
2-4. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОДНОЙ
ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Рассмотрим более подробно рекомендуемые характеристики
отдельных элементов, входящих в ИУ для измерения одной или
нескольких характеристик ч. р.
Как было указано в § 2-3, в состав большинства ИУ входят
фильтр верхних частот и усилитель.
Фильтр верхних частот предназначается для по-
давления напряжения рабочей частоты, возникающего на со-;
противлении при испытании объёкта высоким напряжением и
его гармонических составляющих. Это напряжение намного
превышает измеряемый сигнал и мешает проведению измере-
ний. Нижняя частота полосы пропускания фильтра обычно вы-
бирается в диапазоне 5—50 кГц. Коэффициент затухания
фильтра, который представляет собой отношение напряжения
рабочей частоты и его гармонических составляющих на входе
к соответствующему напряжению на выходе, определяется
условием надежного измерения требуемой минимальной интен-
сивности ч. р., которая задается условиями измерений характе-
ристик ч. р. или предусматривается соответствующими нор-
мами, стандартами или техническими условиями на данный вид
электрооборудования. Обычно для напряжения промышленной
частоты коэффициент затухания принимается приблизительно
равным коэффициенту усиления усилителя и при коэффициенте
усиления, равном 106, также принимается равным 10®. На более
высоких частотах коэффициент затухания может быть меньше,
так как амплитуды высших гармоник существенно меньше ос-
новной гармоники. Наиболее простой схемой фильтра верхних
частот является /?С-схема.
Можно не применять отдельный фильтр, если выполне-
ние условий ограничения напряжения рабочей частоты и его
гармонических составляющих обеспечивается параметрами
47
усилителя, или уменьшать коэффициенты затухания этого
фильтра в тех случаях, когда выполнение этого требования
обеспечивается с учетом параметров усилителя.
Усилитель измерительного устройства предназначается
для усиления импульсов напряжения, вызванных ч. р., до зна-
чения, достаточного для регистрации их индикаторным устрой-
ством.
В устройстве для измерения кажущегося заряда характери-
стики усилителя должны быть выбраны таким образом, чтобы
на выходе (на входе индикаторного устройства) возникало на-
пряжение, амплитуда которого пропорциональна кажущемуся
заряду <7ч.р.
При малых значениях паразитных емкостей заряд q4. р про-
порционален заряду Qz, протекающему через измерительный
элемент z. Из эквивалентной схемы рис. 2-3 следует, что
= (2-14)
^0 "Г ^х
Так, например, при z~R и = тсх > тч.р из (2-3) и (2-5)
имеем
Л«Вх = -^^“/ (2-15)
Ьсх
И
00 1 ОО р
Q« = J iRdt = ± f uBXdt = q4,p-^. (2-16)
о О Сех
Используя выражения для Ссх (2-4) и Сэ (2-7), получим
Qr = <7,.p7^-. (2-17)
G0T ^х
что соответствует (2-14).
Из (2-15) следует также, что площадь импульса напряже-
ния на сопротивлении R также пропорциональна кажущемуся
заряду:
f u^dt = ^-T„ = q4.pR-^=q4.pR—^~- (2-18)
о Ссх Gcx
ОО
Пропорциональность f uBXdt кажущемуся заряду q4- р
о
используется в ИУ, в которых предусматривается интегрирую-
щий элемент, создающий на выходе напряжение, пропорцио-
нальное заряду.
Таким образом, показания ИУ будут пропорциональны <?ч. р,
если амплитуда напряжения на выходе усилителя будет про-
порциональна заряду Qz, протекающему через измерительный
элемент z.
48
Рассмотрим, каким требованиям должны удовлетворять ха-
рактеристики усилителя для выполнения этого условия при
z = R. В этом случае определяющей является связь между фор-
мой напряжения на входе, зависящей от характеристик высоко-
вольтного контура схемы, и характеристиками регистрирующего
устройства.
Если условие (2-10) выполняется, то наиболее простое ре-
шение может быть осуществлено с помощью широкополосного
усилителя (т. е. усилителя, для которого соблюдается соотно-
шение fiCfa, где fl и f2— соответственно нижняя и верхняя ча-
стоты полосы пропускания) с ограниченной полосой пропуска-
ния йзСа. где ®2 = 2nf2-
В этом случае, если импульс напряжения на сопротивлении
имеет форму (2-5), то при к>2<^а=1/тСх или
ТСХ <0,l-L (2-19)
/2
амплитуда [7Вых приблизительно равна
Свых ~ — S (®) Дсо = А(7вхп (со2—coj. (2-20)
л ла
Учитывая (2-10), имеем
t/вых = 2QrR (2-21)
Таким образом, в данном случае амплитуда напряжения на
выходе усилителя (на входе индикаторного устройства) про-
порциональна заряду (?д, протекающему через сопротивление/?,
и применительно к QR не зависит от эквивалентной емкости Сэ
схемы относительно входа ИУ. Однако при этом используется
только часть спектральной плотности сигнала и чувствитель-
ность схемы занижена.
Для увеличения чувствительности схемы целесообразно иметь
более широкую полосу пропускания усилителя. В этом случае
амплитуда напряжения [Дых будет определяться напряжением
на входе ИУ ивх и передаточной функцией ИУ; однако, соот-
ношение между амплитудой (7ВЫх и QR будет зависеть от емко-
сти Сэ, следовательно, и от емкости испытуемого объекта, и не-
обходима градуировка схемы для каждых заданных значений
емкости объекта.
Оценим параметры ИУ для обеспечения наибольшей чув-
ствительности схемы.
Рассмотрим схему при z = R. Частотный спектр сигнала (2-5)
определяется выражением
S (®) = Г Л UBX ое~+ /<й) f dt = А^вх0-, (2’22>
'о а /со
49
и модуль спектра
Ф(ю) = |5 (о))| = --^пХ0-. (2-23)
Уа2 + со2
Общая энергия входного сигнала по теореме Рейли для рас-
сматриваемого случая равна
оо оо
H7 = 2L Г ф2(®)сйо = А- = (2-24)
л J л J a24 о2 2a
о о
где К — коэффициент пропорциональности, равный в данном
случае 1/7?.
Найдем энергию, которая передается при полосе пропуска-
ния от до
С03
(01
= % ^вх0 (arctg — — arctg — 'j. (2-25)
ла \ а а /
Доля энергии выходного сигнала по отношению к общей
энергии входного сигнала определится соотношением
A W = Аа» = А /arctg --------arctg . (2-26)
IV л \ а а /
Если нижняя частота полосы пропускания равняется нулю
или т. е. используется широкополосный усилитель, то
, лДТР
(02 = atg-y-
(2-27)
При условии передачи 90% энергии входного сигнала верх-
няя частота полосы пропускания должна быть
f2 = -^- = 0,98 а ~ . (2-28)
2л RC3 v ’
Например, при Сэ= 1000 пФ и R = 1000 Ом для использова-
ния 90% энергии входного сигнала требуется широкополосный
усилитель с верхней частотой полосы пропускания /г=1 МГц.
При применении узкополосного (резонансного) усилителя при
z = R используется лишь малая часть общей энергии входного
сигнала, что приводит к низкой чувствительности схемы.
Рассмотрим схему, когда измерительный элемент z пред-
ставляет собой катушку индуктивности L. Спектр сигнала (2-8)
50
на входе измерительного устройства определяется выражением
оо
S (со) = АДВХ о | е~ (“+/и)' ( cos <оо(—— sin coof ) dt =
,) \ °o /
0
_________fcoAL/BX о____ (2-29)
a2 + Wq — co2 4- 2/coa
и модуль этого спектра
Ф(Ю)=^(М)|= , , <мо>
у (а2 4-«о—со2)2 + 4<t>a2
В данном случае основная часть энергии входного сигнала
сосредоточена в относительно узкой полосе вблизи частоты соо
(рис. 2-3,г). При этом наиболее целесообразно применение уси-
лителя с относительно узкой полосой пропускания, настроенного
на частоту <о0.
Доля энергии импульса, находящаяся в диапазоне частот
от он до <02, равна
о>2
К f Ф2(<о) dco
= ---------------------
ОО
К С Ф2 (<0) с/со
б
« |п Г «2 -1- (со — <0р)2 1
2лсо0 [ а2 + (со со0)2 ]
, 1/ i со — соо , . <о + со0 \
4-----arctg---------2- 4- arctg —!.
л \ а а /
Если полоса частот симметрична относительно соо исо2—<о0 =
= соо—<01 = Асо/2<^соо, то энергия, передаваемая усилителем с по-
лосой пропускания Асо, равна
AF= —arctg(2-31)
л 2а
и для передачи 90% энергии импульса требуется усилитель
с полосой пропускания
А/^2а = Дк/Ь. (2-32)
Обычно А/ принимается равным 8—10 кГц.
Рассмотрим требования, предъявляемые к усилителю с точки
зрения разрешающей способности по числу импульсов.
Для того чтобы можно было четко различать один импульс
ч. р. от другого, необходимо, чтобы интервал времени между
импульсами был не менее длительности переходных процессов
в ИУ. Это обеспечивается выбором определенной полосы про-
пускания частот усилителя.
В широкополосном усилителе длительность фронта импульса
определяется длительностью переходных процессов (Пер и может
быть принята равной 2,2 ту, где ту — эквивалентная постоянная
51
времени усилителя. Значение ту определяется верхней частотой
fz полосы пропускания усилителя и может быть определено из
соотношения
ту=1/(2л[2), (2-33)
и таким образом
/пер = 2,2ту = 0,35//2. (2-34)
Если длительность импульса существенно меньше интервала
времени между импульсами, то предельное количество импуль-
сов в секунду, которое может быть четко зарегистрировано из-
мерительным прибором, подключенным к выходу широкополос-
ного усилителя, на основании (2-34) равно
nmax = 1/^пер ~ 3/2, (2-35)
и разрешающее время ИУ
(2-36)
Для узкополосного усилителя также может быть использо-
вано выражение, аналогичное (2-34):
= (2-37)
где — коэффициент, близкий к единице. Для идеального
фильтра он равен 0,86.
Полоса пропускания Af определяется эквивалентным
ханием dK или добротностью QK контуров усилителя:
— dxfo — fo!QK>
причем для простейшего контура rLC
зату-
(2-38)
(2-39)
слиш-
пере-
1 г 2а
где а = г/(2Е).
Таким образом, если импульсы ч. р. будут следовать
ком часто с интервалами, меньшими, чем длительность
ходного процесса в ИУ, то переходный процесс от одного им-
пульса будет накладываться на переходный процесс от после-
дующего импульса. При этом чем уже полоса пропускания
(выше добротность схемы), тем дольше будет длиться переход-
ный процесс в усилителе. Это следует также из рассмотрения
процессов в простейшем контуре rLC, формула (2-8).
В связи с этим предельное количество импульсов в секунду,
которое может быть четко зарегистрировано измерительным
прибором, подключенным к выходу узкополосного усилителя, на
основании (2-37) равно
«тах=1//пер~ А/, (2-40)
а разрешающее время узкополосного ИУ
A;min=l/A/. (2-41)
52
Счетчик импульсов. В качестве счетчика импульсов
может быть применено пересчетное устройство, определяющее
количество импульсов в течение заданного промежутка времени,
или измеритель скорости счета, определяющий среднюю частоту
следования импульсов в секунду.
Для того, чтобы обеспечить возможность счета количества
импульсов, по крайней мере при частоте их повторения до
100 импульсов за 1 полупериод, максимальная скорость счета
не должна быть менее 104 имп/с. Для обеспечения возможности
счета импульсов при узко-
полосном усилителе реко-
мендуется применение счет-
чиков со ступенчатым регу-
лированием разрешающего
времени в пределах от 1 до
100 мкс.
При использовании узко-
полосного ИУ разрешающее
время счетчика выбирается
равным 1/АД где А/ —ши-
рина полосы пропускания
узкополосного ИУ. Так как
при использовании счетчи-
ков импульсов количество
импульсов в секунду в ряде
случаев целесообразно оп-
ределять как среднее значе-
ние за интервал времени до
10 с, то емкость счетчика
импульсов не должна быть
менее 103 импульсов.
При определенных усло-
виях в газовых включениях,
Рис. 2-4. Схема для измерения суммар-
ного квазистационарного и интеграль-
ного импульсного зарядов ч. р.
У — усилитель, 30 — электронный осцилло-
граф, — устройство, создающее сдвиг фаз
по напряжению на 180°, Л — контактор, Р —
реле времени
расположенных в толще диэлектрика, возможна квазистацио-
парная форма разряда, существующая непрерывно в течение
определенного интервала полупериода приложенного напряже-
ния, на которую может накладываться импульсная составляю-
щая.
Квазистационарная форма может иметь место в газовых
включениях при плотностях токов, превышающих 10-5 А/см2,
если поверхность включения не имеет заметных неоднородно-
стей или полупроводящих образований. Возникновение такого
разряда также приводит к разрушению органической изоляции.
Как указывается в [54], регистрация характеристик ч. р.
только по импульсной составляющей в некоторых случаях мо-
жет привести к значительным погрешностям при установлении
связи между разрушением изоляции и характеристиками ч. р.
Для регистрации как интегральной импульсной, так и
53-
квазистационарной («безымпульсной») составляющих заряда
ч. р. предлагается использовать схему рис. 2-4. В этой схеме па-
дени напряжения на емкости С2 от емкостной составляющей тока
в)
Рис. 2-5. Модифицированная мостовая
схема для измерения мощности ч. р.: а —
испытательная схема; б — осциллограмма
напряжения в диагонали моста при ба-
лансе с помощью нулевого индикатора G;
в — осциллограмма при балансе моста
•с использованием электронного осцилло-
графа
У — усилитель; ЭО — электронный осциллограф
через образец Сх компен-
сируется напряжением
на емкости Сь и регистри-
рующий прибор фикси-
рует напряжение, пропор-
циональное заряду ч. р.
Для ослабления мешаю-
щих сигналов между мо-
стовой схемой и землей
подается напряжение,
равное напряжению на
емкости Ci, но сдвинутое
по фазе на 180°. Для регу-
лировки времени накопле-
ния заряда на емкостях
Ci и С2 предусматри-
ваются контакторы К. и
реле времени Р.
2-5. СХЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
МОЩНОСТИ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Для измерения мощ-
ности ч. р. наиболее ши-
роко используются две
схемы: схема моста для
измерения диэлектриче-
ских потерь в изоляции и
схема измерения вольт-
кулоновых характеристик.
Для измерения мощ-
НОСТИ Ч. р. МОСТОМ ДЛЯ
измерения диэлектриче-
ских потерь используется
модифицированная схема
с осциллографом [59],
включенным в диагональ
моста в качестве нулевого
индикатора (рис. 2-5, а).
Сначала мост баланси-
руется обычным спосо-
бом с помощью нулевого индикатора, настроенного на частоту
испытательного напряжения. Осциллограф, включенный в диа-
гональ моста, при этом дает осциллограмму, приведенную на
рис. 2-5, б. По показаниям моста рассчитывается емкость ис-
54
пытуемого объекта Cxi и tg6i. Затем с помощью осциллогра-
фа мост снова балансируется только по диэлектрическим по-
терям без учета ч. р. При этом осциллограмма, регистрируе-
мая на экране осциллографа,
имеет вид рис. 2-5, в, где
ч. р. практически возникают
на прямой линии.
По показаниям моста оп-
ределяются Cxi И tg б2. при
известном испытательном на-
пряжении U могут быть опре-
делены мощности диэлектри-
ческих потерь для двух ука-
занных выше случаев
P1=t/2oJCxltg61, (2-42)
и
Р2 = (72(оСх2 tg б2. (2-43)
Тогда мощность ч. р.
Рч,^Рг~Р2. (2-44)
,.вн
4-
Рис. 2-6. Схема для измерения мощ-
ности ч. р. с помощью вольт-кулоио-
вых характеристик, СЭ>СХ
ЭО — электронный осциллограф
Для измерения мощности
ч.р. с помощью вольт-кулоно-
вых характеристик в тех слу-
чаях, когда потери вследствие
ч. р. значительно больше диэ-
лектрических потерь, может
быть использована схема
рис. 2-6. В этом случае откло-
нение луча по вертикаль-
ной оси осциллограммы про-
порционально заряду qx на
зажимах испытуемого образ-
ца, а по горизонтальной оси —
напряжению на образце. Ха-
рактерная вольт-кулоновая
характеристика, получаемая
на экране осциллографа, при-
ведена на рис. 2-7.
Площадь вольт-кулоновой
характеристики
т
W ~ f и dqx = f ui dt (2-45)
b
Рис. 2-7. Схематическое изображение*
вольт-кулоновой характеристики qx =
=f(u) при измерении мощности ч. р*.
представляет собой потери в образце за один период. Если
можно пренебречь диэлектрическими потерями, то величина
W — потери на ч. р. за период.
55
Для включения в виде плоской газовой прослойки вольт-ку-
лоновая характеристика имеет вид параллелограмма ABDE.
Как показано в [25], при UB. п отрезок, отсекаемый на
оси и, равен 2UB. 3, а проекция отрезков АЕ или BD на верти-
кальную ось равна суммарному заряду 2 qm, проходящему через
включение за полпериода приложенного напряжения:
^Чт ~ тч. р<7ч. р = пгч. р (Св Сд) (UB. з UB. п). (2-46)
С учетом (1-33) и (1-35)
2<7т = 2Сд(Дт-Дч.р). (2-47)
Кроме того, проекция отрезков АВ или ED на горизонталь-
ную ось равна 2 Дч р, где U4. р = UB. 3 (Сд + Св)/Сд = UB. 3/т].
На основании (2-47) площадь вольт-кулоновой характери-
стики
^1 = 4Дв.3Сд(Дт-Дч.р). (2-48)
Сравнение (2-48) с (1-39) показывает, что представляет
собой потери на ч. р. за один период приложенного напряжения.
2-6. ПОВЕРКА И ГРАДУИРОВКА
УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Поверка измерительных устройств. Целью по-
верки измерительных устройств является определение пригод-
ности их для измерения данной характеристики ч. р.
При поверке ИУ, имеющего отградуированное в единицах
измеряемой величины отсчетное устройство, определяется основ-
ная погрешность измерения. По [14] эта погрешность должна
быть определена не менее, чем в пяти равномерно распределен-
ных по шкале точках на каждой ступени регулирования дели-
теля (регулятора усиления или дискриминатора).
Так как при измерении характеристик ч. р. практический
интерес представляет определение измеряемой величины с точ-
ностью до первого знака, то к допускаемой погрешности ИУ
обычно предъявляются невысокие требования. Суммарная по-
грешность ИУ, выражаемая в процентах от показаний в дан-
ной точке, не должна превышать 30% (±3 дБ). Для ИУ, не
имеющего отградуированного в единицах измеряемой величины
отсчетного устройства, не менее, чем по пяти точкам опреде-
ляется градуировочная характеристика (например, зависимость
отклонения луча электронно-лучевой трубки от измеряемой ве-
личины на входе) на каждой ступени регулирования делителя
(регулятора усиления или дискриминатора). Суммарная нели-
нейность градуировочной характеристики ИУ (наибольшее от-
клонение измеренной чувствительности от среднего ее значения
на каждой ступени регулирования, выраженное в процентах от
56
чувствительности в данной точке) не должна превышать ±30°/о
(±3 дБ).
ИУ поверяется путем подачи на его вход импульсов с изве-
стным зарядом qn при частоте их следования от 102 до 104имп/с.
Рекомендуется производить поверку при частоте следования им-
пульсов до 10е имп/с, но, учитывая (2-35) или (2-40), не более
чем до частоты fz, где fz — верхняя частота полосы пропускания
широкополосного ИУ, или до частоты АД Af — ширина полосы
пропускания узкополосного ИУ.
При поверке устройства для измерения кажущегося заряда
показание отсчетного устройства сравнивается с известным зна-
чением заряда <?п поверочного генератора.
При поверке устройства для измерения среднего тока ч. р.^
учитывающего импульсы только одной полярности, показание
его отсчетного устройства сравнивается со значением тока по-
верочных импульсов, полученным по формуле
/n = Wn> (2-49)
где /п — частота следования импульсов поверочного генератора.
Если устройство учитывает импульсы обеих полярностей, то,
принимая во внимание градуировочные импульсы, возникающие
от переднего и заднего фронтов прямоугольного импульса гра-
дуировочного генератора, формула (2-49) приобретает вид:
7п = 2^п. (2-50)
Поверка устройства для измерения среднего тока ч. р. про-
изводится как при изменении заряда поверочных импульсов при
фиксированной частоте их следования, так и при изменении ча-
стоты следования при фиксированном заряде.
При поверке устройства для измерения частоты следования
ч. р., учитывающего импульсы только одной полярности, изме-
ренное значение частоты следования должно сравниваться с ча-
стотой следования импульсов поверочного генератора. Если
устройство для измерения частоты следования ч. р. учитывает
импульсы обеих полярностей, то, так же как и при поверке
устройства для измерения среднего тока ч. р., измеренное зна-
чение частоты следования сравнивается с удвоенной частотой
следования импульсов поверочного генератора. Поверка произ-
водится при значениях разрешающего времени в соответствии
с (2-36) или (2-41), и при зарядах поверочных импульсов, соот-
ветствующих верхней и нижней (порог срабатывания) грани-
цам диапазона измерений. Порог срабатывания определяется
как минимальное значение заряда поверочного импульса, при
котором погрешность счета импульсов не превышает 5%.
Для проведения поверки на вход ИУ со включенным парал-
лельно входу измерительным элементом z через малую емкость-
Сп подаются импульсы от генератора прямоугольных импуль-
сов напряжения. Измерительный элемент подключается через.
57
соединительный кабель, причем оба они должны быть такими
же, как при проведении измерения характеристик ч. р.
Емкость Сп выбирается с учетом (2-19) и может быть опре-
делена по формуле
г(Сп + Свх) < 0,1 4-, (2-51)
/2
где z — сопротивление измерительного элемента (при приме-
нении катушки индуктивности z определяется при частоте /г);
^вх —входная емкость ИУ; fz— верхняя частота полосы про-
пускания широкополосного ИУ или частота настройки узкопо-
лосного ИУ.
Заряд </п поверочных импульсов определяется по формуле
<7n = Cnt/n, (2-52)
где Ua — амплитуда выходного импульса напряжения повероч-
ного генератора.
Значения величин Са и Ua должны быть известны с погреш-
ностью, не превышающей 5%.
Обычно ИУ поверяются не реже одного раза в год.
Градуировка ИУ. Целью градуировки является уста-
новление количественных соотношений между показаниями ин-
дикаторных устройств и соответствующими количественными
характеристиками ч. р. Градуировка ИУ должна производиться
в полностью собранной установке для испытаний при присое-
диненном объекте испытаний [14].
При градуировке ИУ определяется соотношение между из-
меряемой характеристикой ч. р. и показаниями А соответствую-
щего индикаторного или отсчетного устройства. Это соотноше-
ние для заряда q и для среднего тока ч. р. /ч. р выражается
формулами:
<7,.р=кА; (2‘53)
Лр = ^М/, (2-54)
где Kq и Ki — соответствующие масштабные коэффициенты.
Масштабные коэффициенты зависят от параметров всех эле-
ментов установки (объекта испытаний, соединительного конден-
сатора, соединительных кабелей, измерительного элемента и
ИУ) и места их присоединения.
В связи с этим градуировка должна производиться для каж-
дого ИУ и для каждого объекта испытаний. Учитывая допусти-
мую погрешность при измерении характеристик ч. р. можно
не производить градуировку для каждого объекта испытаний
при серийных испытаниях идентичных объектов на данном ИУ,
если емкость объектов изменяется не более, чем на 30%. Реко-
мендуется производить градуировку для всех диапазонов изме-
ряемой величины, использование которых потребуется при ис-
пытаниях.
58
При градуировке должна определяться возможность надеж-
ного измерения минимального кажущегося заряда. Измерение-
считается надежным, если полезный сигнал (отклонение луча
на экране осциллографа или
показание другого индикатор-
ного устройства) вдвое пре-
вышает общий уровень помех.
Градуировка может быть
произведена одним из следую-
щих способов.
По первому способу гра-
дуировочный генератор вклю-
чается параллельно объекту
испытаний через небольшую
градуировочную емкость Сг.
Схемы соединений при гра-
дуировке по этому способу
изображены на рис. 2-8, а, б.
При этом градуировочный за-
ряд, вводимый в цепь, равен
<7r = Crt/r, (2-55)
где UT—амплитуда выходного
импульса напряжения градуи-
ровочного генератора.
Для i-й ступени усиления
масштабные коэффициенты
определяются для схем
рис. 2-8, а, б по формулам
К?г=Л; (2-56)
= (2-57)
Ац
ИЛИ
(2-58)
Ан
Рис. 2-8. Схемы градуировки уста-
новки для измерения характеристик
ч. р. при параллельном включении
градуировочного генератора
Г — генератор прямоугольных импульсов
напряжения; Си— суммарная емкость ис-
точника испытательного напряжения и
системы шин относительно земли; Со —
емкость соединительного конденсатора;
Сх— емкость объекта испытаний; г — со-
противление измерительного элемента;
Свх—входная емкость измерительного
устройства ИУ; Сг— емкость градуировоч-
ного конденсатора
В формуле (2-57) учиты-
вается заряд, вносимый в цепь
импульсом тока от переднего
и заднего фронта импульса.
Схема рис. 2-8, б требует возможности разземления выводов
гейератора при малой паразитной емкости генератора на землю.
Это можно обеспечить, применяя градуировочные генераторы
с автономным питанием (от батарей или аккумуляторов). Если
59-
градуировочный генератор не допускает разземления вывода,
го можно применять схему рис. 2-8, в. Градуировочный заряд
при этом также определяется (2-55), однако в масштабные ко-
эффициенты должен быть введен поправочный, коэффициент,
учитывающий, что по этой схеме градуировочный генератор
присоединяется не параллельно испытуемому объекту, а парал-
лельно соединительной емкости Со. В этом случае для i-й сту-
пени усиления масштабные коэффициенты равны:
' — У?1 С*
4 &qi Си + Со
(2-59)
/Г — Сх
&Н Си + Со
(2-60)
или при учете заряда, вносимого в цепь импульсом тока от пе-
реднего и заднего фронта градуировочного импульса,
/Г . — Сх
А]1 Сн 4- Со
(2-61)
При этом Сх и Со должны быть известны с погрешностью не
более 5%. Для того чтобы погрешность, вызванная введением
в схему дополнительной емкости градуировочного конденсатора
Сг, который отсутствует при измерении, не превосходила 10./о,
должно быть выполнено следующее условие:
Сг<0,1Сэ. г, (2-62)
где для схемы рис. 2-8, а
Сэ. г = си + Сх+-^~ « Сх (2-63)
^0 1“ ^вх
и для схемы рис. 2-8, в
Сэ. г = Си + Со + « Со. (2-64)
^Х ~г ьВх
Градуировка по схеме рис. 2,8, в допускается, если
€0>10Си.
В формулах (2-59) — (2-64) емкость Си учитывается в том
•случае, когда между источником испытательного напряжения и
другими элементами схемы не имеется защитных сопротивлений
«ли фильтров. л
По второму способу градуировочный генератор включается
последовательно либо в ветвь объекта испытаний (рис. 2-9, а),
либо в ветвь соединительного конденсатора (рис. 2-9, б). Гра-
дуировочный заряд, вводимый в цепь импульсом, равен
<7r = Cxt7r. (2-65)
Масштабные коэффициенты при этом определяются по
(2-56)—(2-58).
Метод последовательной градуировки по схеме рис. 2-9, б
может применяться, если между источником испытательного на-
пряжения и другими элементами установки для испытания
имеются защитное сопротивление или фильтр, причем значение
60
защитного сопротивления или фильтра существенно превышает
сопротивление объекта испытаний при частоте fz, где fz— верх-
няя частота полосы пропускания широкополосного ИУ или ча-
стота настройки узкополосного ИУ. При этом весь ток от гра-
дуировочного генератора в процессе градуировки, как и ток от
ч. р., замыкается в основном через емкость Сх. Если между
источником и другими элементами установки нет защитного
сопротивления или фильтра или их сопротивление при ча-
стоте fz не удовлетворяет указанным выше требованиям, то для
выполнения условий идентичности схем при градуировке и при
измерениях характеристик ч. р. должно выполняться следую-
щее условие:
Си« Сх. (2-66)
Рис. 2-9. Схема градуировки установки для измерения характеристик ч. р. 1
при последовательном включении градуировочного генератора (обозначе-
ния см. рис. 2-8)
Требования к генератору прямоугольных
импульсов напряжения. Генератор прямоугольных им-
пульсов напряжения для проведения поверки и градуировки
должен удовлетворять следующим требованиям.
Для того чтобы крутизна фронта градуировочного импульса
ие сказывалась на результатах градуировки и можно было при-
ближенно полагать форму импульса прямоугольной (бесконечно
крутой передний и задний фронт, что характерно для ч. р.),
длительность переднего и заднего фронта импульса не должна
быть более 0,1/fz. Если длительность заднего фронта не удов-
летворяет этому требованию, то генератор может быть исполь-
зован только для градуировки ИУ с осциллографическим инди-
катором, позволяющим надежно различать импульсы тока, соз-
даваемые передним и задним фронтом. При этом должен учи-
тываться только импульс тока, создаваемый передним фронтом
прямоугольного импульса напряжения.
При проведении поверки и градуировки импульс тока от
переднего фронта не должен накладываться на импульс тока
от заднего фронта, так как такое наложение может привести
к изменению амплитуды импульсов. Чтобы избежать этого
61
наложения, длительность прямоугольного импульса должна пре-
вышать не менее чем в три раза разрешающее время, т. е. ве-
личину 1//2 для широкополосного ИУ или l/Af для узкополос-
ного ИУ.
Для предотвращения влияния длительности градуировочного
импульса напряжения на форму импульса тока, длительность
градуировочного импульса напряжения должна быть не менее,
чем в три раза больше постоянной времени схемы регистрации
тсх = гСэ [см. формулу (2-6)].
При градуировки ИУ с осциллографической индикацией до-
пускается применение генераторов с длительностью импульсов
не меньшей l/f2 или 1/Д/, соответственно для широкополосного
и узкополосного ИУ, что позволяет учитывать только импульс
тока, создаваемый передним фронтом прямоугольного импульса.
Так как характеристики ч. р. должны надежно регистриро-
ваться при частоте следовайия ч. р. до 104 имп/с (желательно-
даже до 106 имп/с), то частота следования генератора /г должна
регулироваться в пределах 102—104 имп/с. Рекомендуется при-
менять генераторы с частотой следования импульсов до
106 имп/с.
Нижняя частота следования, равная 102 имп/с, соответствует
1 импульсу ч. р. за 1 полупериод напряжения 50 Гц. Поверку
и градуировку ИУ, предназначенных для измерения характе-
ристик ч. р. при постоянном напряжении, целесообразно про-
изводить при частоте следования импульсов от 1 до 104 имп/с,
так как при постоянном напряжений частота следования им-
пульсов может быть много меньше, чем при переменном.
Погрешность измерения частоты следования импульсов ге-
нератора не должна превышать ±10% при градуировке ИУ
для измерения кажущегося заряда и ±7% при градуировке ИУ
для измерения среднего тока и частоты следования импульсов.
Более жесткие требования к погрешностям измерения ча-
стоты следования импульсов при градуировке ИУ для измере-
ния среднего тока объясняются тем, что в этих ИУ частота сле-
дования непосредственно влияет на измеряемую величину и по-
грешность частоты следования входит составной частью в по-
грешность измерения среднего тока.
Диапазон выходного напряжения генератора прямоугольных,
импульсов должен обеспечить проведение поверки на каждой
ступени ИУ и регулироваться в пределах не менее 40 дБ не бо-
лее чем через 2 дБ. Погрешность измерения напряжения не
должна превышать ±10%.
При применении генератора для проведения параллельной
градуировки в соответствии с требованием обеспечения доста-
точно крутого фронта импульса внутреннее сопротивление ге-
нератора /?г должно удовлетворять соотношению
ЯгСг<0,1-^-. (2-67)
/2
62
При применении генератора для проведения последова-
тельной градуировки, чтобы внутреннее сопротивление гене-
ратора Яг не влияло на постоянную времени схемы, 7?г дол-
жно быть более чем в 10 раз меньше сопротивления измери-
тельного элемента z (при применении резистора).
Рекомендуется использовать генератор прямоугольных им-
пульсов с достаточно малой паразитной емкостью на землю
(например, транзисторный генератор с автономным питанием).
Рекомендуется также применять полное экранирование гене-
ратора и конденсатора Сг, а также соединений между ними.
При использовании схемы градуировки по рис. 2-8, б гене-
ратор прямоугольных импульсов напряжения должен допускать
возможность разземления обоих выводов.
2-7. ПРЕДЕЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СХЕМ
РЕГИСТРАЦИИ И ЕЕ ЗАВИСИМОСТЬ
ОТ ЕМКОСТИ ОБЪЕКТА
Предельная чувствительность схемы ограничивается шумами
усилителя и шумами высоковольтной цепи (контурные шумы),.
Рассмотрим определение предельной чувствительности, ограни-
ченной шумами усилителя [52]. Для четкой регистрации ч. р.
необходимо, чтобы амплитуда сигнала на экране осциллографа
от ч. р., по крайней мере, в два раза превосходила ам^плитуду
сигнала от шумов
л £АхКпер = 2(7Ш. у, (2-68)
где (7Ш. у — амплитуда напряжения шумов усилителя, отнесен-
ная ко входу усилителя; АС7ВХ — напряжение на входе усили-
теля; Кпер — коэффициент, характеризующий передаточную
функцию усилителя, равный отношению амплитуды выходного
сигнала, уменьшенной в /Су раз, к амплитуде входного сигнала,
где Яу— коэффициент усиления усилителя.
При применении широкополосного усилителя с верхней поло-
сой пропускания и активного сопротивления на входе уси-
лителя (z = 7?) коэффициент Упер зависит от соотношения между
постоянной времени т сигнала, поступающего на вход усили-
теля, и эквивалентной постоянной времени усилителя
Зависимость Упер от отношения т/ту приведена на рис. 2-10.
Учитывая (2-3) и (2-68), минимальный регистрируемый кажу-
щийся заряд
<7.1.pmin = J^Ccx- ’ (2-70)
Апер
63
Условия оптимального соотношения сигнал-шум выполня-
ются при ТуЯ^Т. При ЭТОМ /(пер = 0,38. При СвхССх, Свх<Св-И
C<j~Cx * , <
(2-71)
Апер
Рассмотрим определение предельной чувствительности схе-
мы регистрации, ограниченной контурными шумами. Амплитуд- ,
ное значение напряжения контурных шумов £/ш. к на входном
сопротивлении г определяется выражением
, Л2-72)
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.
Формула (2-72) справедлива для бесконечно широкой по-
лосы пропускания ИУ. Однако для широкополосных усилите-
лей ошибка в определении на-
пряжения контурных шумов
по (2-72) обычно не превос-
ходит 30%. Так как СОх=
= Сэ(п-Н), где п=Сх!С0, то
иш. к - 2,5 .(2-73)
” Сех
В большинстве случаев
Рис. 2-10. Зависимость Кпер от отно- при достаточно больших ем-
шения т/ту костях объекта (более
1000пФ) значение £Лп. к<С\п.у.
Это позволяет дополнительно усилить сигнал ч. р., применяй
входной трансформатор (рис. 2-11), коэффициент трансформа-
ции /<Тр которого выбирается из условия (/ш. к»(/ш. у При этом
результирующее напряжение шумов с учетом шумов усилителя
равно
иш = 3,5 -у/(g+ 1-)-. . (2’74)
Учитывая (2-71), имеем
<7Ч. р ш.п = mccx(n+l). (2-75)
Апер
При СВХ<СЯ; СВХ<СО; С ~СХ и 7=290 К
9ч.Рт1п = 4.10-‘-^±1 (2-76)
Апер Апер * ,
Из (2-76) следует, что если чувствительность схемы огра-
ничена контурными шумами, то минимальный регистрируемый
64
заряд ^возрастает приблизительно пропорционально VCX. За-
висимбСти минимального регистрируемого, заряда от емкости
Сех для обоих рассмотренный случаев приведены на рис. 2-12.
Рис. 2-11. Схбйа измерения характеристик ч. р. с входным
высокочастотным трансформатором Тя.ч (Обозначения см.
рис. 2-1)
!v ; Как следует из рис. 2-12, применение входного траисформа-
®ора позволяет существенно повысить чувствительность регист-
рирующей схемы при больших емкостях испытуемых объектов.
Коэффициент трансформации Ктр входного трансформ агора
при условии может быть определен по формуле
КТР
। Дш. у
(2-77)
Например, при значении
£Лп.у“=10 мкВ, 7=290 К и
ч.
Ктр = 0,06]/Сэ, (2-78)
где Сэ —в пикофарадах.
Для резонансного (узко-
полосного) усилителя и ин-
дуктивности иа входе реги-
регистрируемого заряда шш от ем-
кости Сох
1 — при ограничении чувствительности шу*
мами усилителя; 2 —при ограничении чуВ'
ствительности шумами схемы
стрирующей схемы остается
справедливой формула
(2-75) или (2-76), в кото-
рых Кпер является коэффи-
циентом, характеризующим передаточную функцию резонанс?,
ного усилителя. Зависимость Кмр от ширины полосы пропуска-!
ния резонансного усилителя приведена на рис. 2-13.
Из (2-75) видно, что для увеличения чувствительности схе-1
мы необходимо сделать возможно меньшим п=Сж/С#.
можно добиться, используя достаточно большие соединительные
емкости Со. Целесообразное значение Со определяется соотно-
шением СО«СХ, при этом и~1. При малых значениях С© Имеем
3 Г. С. Кучинский
65
п»1 и n+l~n. Тогда
7ч- р min
4-IQ—*
! ^пер
VnCcx
4-10-*
^Спер
?ч- Р min
4-Ю-4
^Спер
Сх.
(2-79)
(2-80)
При Свх^ч^х
Таким образом, минимальный регистрируемый заряд растет
Рис. 2-13. Зависимость /(пер от ширины
полосы пропускания резонансного уси-
лителя Д/у и ширины спектра сигнала
Д/с
1 — входное сопротивление — контур LCR; 2 —
входное сопротивление — полосовой фильтр
пропорционально емкости
образца Сх и нет выигрыша
по сравнению со случаем,
когда чувствительность схе-
мы ограничивается шумами
усилителя. Современные ИУ
позволяют регистрировать
ч. р. с амплитудой 10 пКл
на выводах конденсатора с
емкостью до 200 мкФ [61].
При емкости образцов изо-
ляции около 100 пФ регист-
рируются ч. р. с амплитудой
порядка 10~14 Кл [59].
2-8. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ РАДИОПОМЕХ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Интенсивность ч. р. может быть определена с помощью измерителей
радиопомех. Измеритель помех (ИИ) представляет собой высокочастотный
микровольтметр, имеющий установленную малую ширину полосы пропуска-
ния Д/, регулируемую среднюю частоту и в качестве индикаторного устрой-
ства квазипиковый вольтметр с заданными постоянными времени заряда т3
и разряда тр. По данным Международного специального комитета по радио-
помехам (CISPR), в наиболее широко применяемом ИП для диапазона ча-
стот от 0,15 до 30 МГц нормируется ширина полосы пропускания Д/=9 кГц
и постоянные времени т3=1 мс и тр=160 мс.
При градуировке прибора к нему прикладывается синусоидальное на-
пряжение с частотой, равной частоте настройки прибора, причем показания
индикаторного устройства выражаются в действующих значениях градуи-
ровочного синусоидального напряжения.
Если ко входу прибора прикладываются короткие прямоугольные им-
пульсы с частотой следования 100 имп/с, причем произведение амплитуды
импульса на их длительность равно 1,158 мкВ • с, то показания прибора со-
ответствуют синусоидальному напряжению с действующим значением
1000 мкВ с частотой, равной частоте настройки прибора [59]. Изменения по-
казания прибора при изменении частоты следования импульсов приведены
на рис. 2-14.
При использовании ИП для измерения интенсивности ч. р. [14, 59] реко-
мендуется применять в качестве измерительного элемента резистор с сопро-
тивлением 150 Ом, причем если емкость объекта испытаний не превышает
104 пФ, то рекомендуется производить измерения на частоте 1 МГц. Для
66
объектов большей емкости рекомендуется производить измерения на более
низких частотах.
Для нахождения коэффициента, связывающего интенсивность ч. р.
в микровольтах и кажущийся заряд при определенной частоте следования
ч. р., производится градуировка испытательной установки.
Градуировка схемы ИП производится аналогично градуировке схемы
с другими ИУ (рис. 2-8), при частоте следования градуировочных импуль-
сов 100 имп/с. В процессе градуировки определяется коэффициент Kq, свя-
зывающий интенсивность U4. р в микровольтах с градуировочным зарядом qr:
Kq — qr!Uч. р*
Обычно интенсивность (7Ч.Р в микровольтах приводится к выводу объ-
екта испытаний, к которому подключается источник испытательного напря-
жения, для чего показание ИП умножа-
ется на коэффициент приведения:
(/.Ч. р = 1/ипКпр- (2-82)
В настоящее время имеется не-
сколько способов приведения показаний
ИП к высоковольтному выводу объекта
испытаний.
Рассмотрим способы, которые исхо-
дят из положения, что источник ч. р. яв-
ляется источником напряжения. В этом
случае для нахождения Кпр) к высоко-
вольтному выводу объекта, включенного
в схему для измерения интенсивности
ч. р., подключается генератор синусо-
идального напряжения, с частотой, рав-
ной рабочей частоте настройки прибора.
Затем измеряется напряжение генера-
тора Uв (напряжение на высоковольтном
Рис. 2-14. Изменения показа-
ний измерителя радиопомех
CISPR в относительных едини-
цах (о. е.), в зависимости от
частоты следования пч.Р им-
пульсов постоянной амплитуды
выводе относительно земли) и напряжение на измерительном элементе Usx
(на входе ИУ).
Коэффициент приведения Кпр i определяется по формуле
Кпр г — U в/^вх
(2-81)
(2-83)
Коэффициент приведения также может определяться следующим обра-
зом [14]. Генератор синусоидального напряжения, настроенный на рабочую
частоту ИП, подключается поочередно к обоим выводам испытуемого
объекта, согласно схеме рис. 2-15. При этом выходное напряжение генера-
тора регулируется так, чтобы в обоих случаях показания ИП были одина-
ковы. Коэффициент приведения определяется по формуле
Кпр г — U0 в/^оЗ,
(2-84)
где Uo в — напряжение на выходе генератора при присоединении его к вы-
воду объекта испытаний, к которому подключается источник испытательного
напряжения; £70 3—напряжение на выходе генератора при подключении его
к измерительному элементу.
Коэффициент приведения рекомендуется определять при показании ИП,
равном 100 мкВ, или при нормированном значении интенсивности в микро-
вольтах.
В обоих случаях коэффициент приведения Кпр i представляет собой ко-
эффициент, учитывающий, во сколько раз напряжение на входе ИУ меньше
напряжения на высоковольтном выводе объекта испытаний относительно
3*
67
земли, и при достаточно малой паразитной емкости входа ИП может быть
определен по формуле
КпР1 =----------------
(2-85)
где ш — рабочая частота ИП.
В [56] рекомендуется измерять интенсивность ч. р. по схеме рис. 2-16.
В этой схеме фильтр Ф служит для подавления помех нз сети. Индуктив-
Рнс. 2-15. Схема приведения показа-
ний измерителя помех, используемого
для регистрации ч. р., к выводу ис-
пытуемого объекта, к которому при-
соединен источник испытательного
напряжения
Г — генератор синусоидального напряже-
ния; С и— суммарная емкость источника
испытательного напряжения и системы
шин; С» — емкость соединительного кон-
денсатора; Сх— емкость объекта испыта-
ний; z — сопротивление измерительного
элемента; Свх — входная емкость измери-
тельного устройства
ность L должна иметь сопротивле-
ние не менее 1500 Ом при рабочей
частоте ИП, должна размещаться по
возможности ближе к испытуемому
объекту 1 или соединительному кон-
денсатору Со. Оиа служит для умень-
шения влияния паразитных емкостей
ИТ и ошиновки на отсос тока от ч. р.
в испытуемом объекте; одновременно
эта индуктивность уменьшает помехи
от высоковольтной части схемы и ИТ.
Переменная индуктивность Lt служит
для компенсации реактивного сопро-
тивления соединительной емкости при
рабочей частоте, если эта частота
ниже 1 МГц; при более высоких ра-
бочих частотах индуктивность Lt
шунтируется разъединителем Pt. По-
следовательно с индуктивностью Lt
включается малоиндуктивный рези-
стор R, параллельно которому под-
соединяется защитный разрядник G.
ИП подключается при помощи коак-
сиального кабеля с волновым сопро-
тивлением 185 Ом, замкнутого на
малоиндуктивное сопротивление R =
= 185 Ом. Эквивалентное сопротив-
ление иа входе ИП R»=RRt(R+Rt) =
= 150 Ом.
Для приведения показания ИП
к высоковольтному выводу объекта
рекомендуется определять величину
К, равную отношению напряжения на входе измерителя помех С/вх (между
точками с н d) к напряжению иа входе градуировочного генератора, подклю-
ченного к точкам а и Ь. По существу /С= 1/Дпр1. Поэтому для приведения по-
казаний ИП к высоковольтному выводу объекта напряжение, определенное
по показаниям ИП, делится на К. Рекомендуется определять зависимость К
от частоты настройки ИП, примем К в диапазоне частот от рабочей до 5 МГц
ие должна быть менее 0,5. Рекомендуемое расположение элементов схемы
изображено на рис. 2-17.
Рассмотрим способ приведения показаний ИП к высоковольтному вы-
воду объекта, который исходит нз положения, что источник ч. р. является
источником тока [49].
В этом случае используется генератор синусоидального напряжения с ча-
стотой, равной рабочей частоте настройки прибора, включенный последова-
тельно с малой градуировочной емкостью Ст, причем СТ^.СХ и Сг<кС0.
В этом случае генератор вместе с последовательной емкостью Сг представ-
ляет собой источник тока (источник с весьма большим внутренним сопро-
тивлением), имитирующий ток от ч. р. Для определения коэффициента при-
ведения КпР2 с помощью ИП измеряется напряжение на сопротивлении
68
Рис. 2-16. Схема измерения интенсивности ч. р. с помощью
измерителя радиопомех
ИО — испытуемый объект; ВН — шяиы высокого напряжения; ИП -
измеритель радиопомех; ИТ — испытательный трансформатор; Ф —
фильтр; PH — регулятор напряжения
Рис. 2-17. Рекомендуемое расположение оборудования при из-
мерениях интенсивности ч.р. с помощью ИП по схеме рис. 2-16
ИО — испытуемый объект; 1 — соединительный конденсатор; 2 — пере-
менная индуктивность Li; 3 — измерительный элемент (А); 4 — изо-
ляторы; S — разъединитель Л; 6 — защитный разрядник О; 7 — высоко-
частотный заградительный фильтр. L; S-шииы >ВН; 9 — поверхность
окружающих предметов. Расстояния S, Si и Н выбираются из усло-
вия отсутствия искажения поля объекта
Рис. 2-18. К определению коэффициента приведения КПр
69
z=/?=150 Ом по схемам рис. 2-18, а и б. При измерении по схеме рис. 2-18, а
напряжение Uri пропорционально всему току от источника синусоидального
напряжения; при измерении по схеме рис. 2-18,6 напряжение Ur2 пропор-
ционально току, замыкающемуся через емкость Со.
Значение Лпр 2 находится по формуле
^Спр а = ^Ri/^Rt< (2-86)
и для приведения показаний ИП к высоковольтному выводу объекта испы-
таний пользуются формулой (2-82).
Как нетрудно показать, в этом случае при достаточно больших емко-
стях Со и Сх (более 1000 пФ) коэффициент приведения
• (2‘87>
2-9. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ
О ПРОВЕДЕНИИ ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ ПОМЕХ
' ‘ И ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Перед проведением измерений характеристик ч. р. в объ-
екте испытаний должен быть определен уровень внешних по-
мех (значения величин которых не зависят от приложенного
к объекту высокого напряжения), а также общий уровень внеш-
них и внутренних помех. Обычно внутренние помехи (например,
помехи от короны) зависят от напряжения на объекте, поэтому
общий уровень помех должен определяться при соответствую-
щем испытательном напряжении для данного объекта испыта-
ний. Рекомендуется определять общий уровень помех при нес-
кольких значениях напряжения на объекте.
Общий уровень внешних и внутренних помех при заданном
или нормированном испытательном напряжении должен быть
не менее, чем в два раза ниже нормированного уровня ч. р.
в объекте испытаний или минимального регистрируемого уровня
ч. р. При испытании объекта возбуждением (например, сило-
вые трансформаторы) допускается уровень помех не опреде-
лять.
Наблюдение за уровнем помех обычно ведется в течение не
менее чем 5 мин. За уровень помех принимается наибольшее за
это время показание устройства для измерения кажущегося за-
ряда или устройства для измерения среднего тока ч. р.
Поскольку как внешние, так и внутренние помехи зависят
от емкости объекта испытаний, то уровень внешних помех,
а также общий уровень внешних и внутренних помех целесо-
образно определять при замене объекта испытаний макетом
с емкостью, отличающейся от емкости объекта не более, чем
на 30%. Макет не должен иметь ч. р. при требуемом испыта-
тельном напряжении, интенсивность которых превышает допу-
стимый уровень помех. Система Шин установки и электроста-
тические экраны при определении уровня помех должны быть та-
кими же, как и при испытаниях. В случае необходимости на
объект испытаний или его отдельные металлические детали,
вблизи которых возникают высокие напряженности электриче-
70
ского поля, и соответственно на макет следует устанавливать
электростатические экраны, обеспечивающие отсутствие короны
при испытательном напряжении. Чаще всего такие экраны вы-
полняются сферической или тороидальной формы. Зависимость
коронного напряжения от геометрических размеров экранов не-
которых типов приведена на рис. 2-19.
Если объект испытания заменить макетом нельзя, допускает-
ся определять уровень помех
измерительный элемент
включается в ветвь зазем-
ления соединительного кон-
денсатора. Масштабные ко-
эффициенты при этом опре-
деляются способом последо-
вательной градуировки по
схеме рис. 2-9, а при под-
ключении градуировочного
генератора между землей и
выводом высокого напряже-
ния соединительного кон-
денсатора через емкость,
равную емкости объекта ис-
пытаний, или способом па-
раллельной градуировки с
подключением вместо объ-
екта емкости, равной емко-
сти объекта.
Уровень внешних помех
рекомендуется определять
двйжды: при замене объ-
екта испытания макетом и
в полностью собранной ус-
тановке с подключенным
при отсутствии объекта. При этом
Рис. 2-19. Зависимость коронного на-
пряжения от геометрических разме-
ров экранов
1 — двойной тороид D шя 8d; 2 — цилиндр
диаметром d; 3 — сфера диаметром d; 4 —
сфера диаметром 10а. Расстояние до земли
около 5 м
объектом испытаний. Разность уровней внешних помех в ука-
занных схемах не должна превышать 30% нормированной ин-
тенсивности ч. р. в объекте испытаний, или минимального реги-
стрируемого уровня ч. р., что показывает идентичность макета.и
объекта. Абсолютный уровень внешних помех в обеих схемах
не должен быть больше 50% нормированного уровня ч. р. или
минимального регистрируемого уровня ч. р.
При определении внешних помех рекомендуется подключать
источник испытательного напряжения к питающей сети, так
как сеть может являться источником внешних помех. Напряже-
ние источника при этом должно быть равно нулю или достаточно
малым, чтобы обеспечить отсутствие внутренних помех и ч. р. в
элементах испытательной установки и в объекте испытаний.
В тех случаях, когда наблюдение за экраном осциллографа
или какие-либо другие способы наблюдения позволяют надежно
71
отличить помехи (например, корону в воздухе) от ч. р. в объ-
екте испытаний, измерение характеристик ч. р. допускается
производить при наличии помех, превышающих допустимый уро-
вень.
Измерение характеристик ч. р. считается надежным, если
измеряемая интенсивность ч. р. не менее, чем в два раза превы-
шает общий уровень помех.
Комплекс эксплуатационных воздействий, вызывающих ста-
рение изоляции, многообразен и сложен, однако во многих слу-
чаях основной причиной старения является электрическое поле
высокой напряженности. Как установлено многими исследова-
ниями, под действием электрического поля старение происходит
преимущественно за счет развития в изоляции ч. р.
Разрушающее действие ч. р. является результатом теплового
воздействия, бомбардировки заряженными частицами (в основ-
ном электронами), воздействия химически активных продуктов,
образовавшихся в процессе развития ч. р., а также ударных
волн и излучения.
Как показано в [3, 25], действие этих факторов вызывает эро-
зию (разрушение поверхности с уносом материала), а также
структурные изменения (деструкция, сшивка полимерных це-
пей). Эрозия может быть обусловлена следующими причинами:
а) окислением полимеров высокореактивными радикалами,
существующими только в зоне действия разряда;
б) реакциями микрорадикалов полимера, образовавшимися
под действием разрядов, с кислородом газовой среды или дру-
гими активными веществами, возникшими в результате ч. р.;
в) бомбардировкой поверхности диэлектрика электронами
и ионами.
Исследование изменения пробивного напряжения Unp, тол-
щины d и массы Л4 [25] показали, что при действии на пленки
только продуктов разряда толщина и масса пленок практически
не изменяются. В то же время при непосредственном воздей-
72
ствии разрядов наблюдается существенное изменение пробив-
ного напряжения, толщины и массы пленок (рис. 3-1).
Иногда эрозию связывают с процессами нагрева поверхности
диэлектрика в местах соприкосновения с каналами отдельных
ч. р. и последующего испарения диэлектрика. Эрозия и разру-
шение диэлектрика могут происходить за счет электронной бом-
бардировки его поверхности, так как значительная часть энер-
гии разряда переносится электронами. Это подтверждается дан-
ными [24], по которым эрозия образцов с поверхности, располо-
женной перпендикулярно направлению разрядов, значительно
интенсивнее эрозии с поверх-
ности, расположенной вдоль
направления разрядов. С тече-
нием времени происходят мест-
ные увеличения глубины эро-
зии; постепенно выделяются
преимущественные направле-
ния интенсивного разрушения
материала, которые в ряде слу-
чаев могут превращаться в вет-
вистые разрушения (дендри-
ты). При ч. р. малой интенсив-
ности основную роль в про-
цессе эрозии играет реакция
окисления, скорость которой
при свободном доступе кисло-
рода возрастает в 1,5 раза.
При интенсивных разрядах
причиной разрушения диэлек-
трика преимущественно явля-
ется термодеструкция поли-
меров за счет энергии разряда.
В
Рис. 3-1. Зависимости пробивного на-
пряжения Uapt/Uapo(9), ТОЛЩИНЫ
d(/do(») и массы m(/mofA) от вре-
мени для пленки ПЭТФ при непосред-
ственном (/) и косвенном (2) дей-
ствии разрядов
начальный период толщина состаренного слоя при посто-
янном числе микроразрядов во включении возрастает пропор-
ционально линейной плотности энергии микроразряда 1^л =
= WM.p/d3, где Ж,, р — энергия одного микроразряда, d3 — эф-
фективная толщина зазора (длина зоны свечения ч. р.).
Через некоторое время средняя толщина состаренного слоя
стремится к установившемуся значению, что связано прежде
всего с воздействием газообразных продуктов разряда. Сшивка
полимерных цепей или их разрушение охватывает не весь об-
разец, а лишь слой, примыкающий к поверхности.
Структура изоляции изменяется при непосредственном воз-
действии разрядов на диэлектрик (электронно-ионная бомбар-
дировка, ультрафиолетовое облучение), а также и вследствие
воздействия газообразных и других продуктов, возникших в ре-
зультате разряда (озон, окислы азота, атомарный кислород,
хлор, хлористый водород, соляная и другие кислоты). Струк-
73
турные изменения материала диэлектрика проявляются в изме-
нении инфракрасных спектров, молекулярной массы, увеличении
tg 6, изменении диэлектрической проницаемости е и удельного
объемного сопротивления ро.
Все структурные изменения под действием разрядов можно
разделить на два типа: первые, сосредоточенные до глубины
примерно 3 мкм (например, в полиэтилене), — вызваны непо-
средственным действием разрядов (образование двойных угле-
родных связей, гидроксильных групп, нитрогрупп); вторые — со-
средоточены на больших глубинах, до 12 мкм, и вызваны
действием газообразных продуктов (образование озонидов, кар-
бонильных групп). Толщина слоя со структурными изменениями
определяется глубиной диффузии кислорода или озона в об-
разец.
Структурные изменения под действием ч. р. отличаются от
изменений при облучении частицами высоких энергий, и в них
важную роль играют окислительные процессы: у сшивающихся
полимеров после электрического старения инфракрасные спек-
тры показывают увеличение числа кислородных мостиков, а при
процессах деструкции под воздействием частиц высоких энергий
увеличивается число концевых карбонильных групп.
Характер структурных изменений в диэлектриках может
быть достаточно хорошо выявлен с помощью анализа инфра-
красных спектров поглощения материалов до и после воздей-
ствия ч. р. В качестве примера на рис. 3-2 [25] приведены ин-
фракрасные спектры полиэтилена до и после старения при воз-
действии ч. р. в различных газовых средах. Как следует из
рисунка, при ч. р. в воздухе в полиэтилене появляются полосы
при 1716, 1640, 1290, 1200 и 865 см-1. При ч. р. в кислороде по-
являются полосы 1716, 1290 и 1200 см-1, а при ч. р. в азоте
заметного изменения спектра не происходит. Появление полосы
поглощения в интервале 1710—1720 см-1 свидетельствует об об-
разовании карбонильных групп в результате окисления; полоса
1640 см-1 показывает на появление двойных связей >С = С<;
полосы 1290 и 1200 см-1 и могут быть отнесены к эфирным (R—
/ zO \
OR') и карбоксильным —С( группам.
\ \он J
Интересно отметить, что порядок расположения полимеров
по стойкости к различным воздействиям различен. Как пока-
зано в [25], по интенсивности изменений инфракрасных спект-
ров, молекулярной массы, по образованию сшитой фракции под
действием ч. р. пленки располагаются в следующем порядке:
наименее стойким оказывается полиэтилен, более стойким —
полистирол и еще более — полиэтилентерефталат.
Однако по стойкости к эрозии под действием ч р. эти поли-
меры располагаются в ином порядке: наименее стойким к эро-
зии является полиэтилентерефталат, более стойким — полисти-
74
рол и еще более — полиэтилен. На основании этого можно за-
ключить об отсутствии соответствия между интенсивностью
структурных изменений и скоростью эрозии под действием ч. р.
При ч. р. в твердых и жидких диэлектриках в отсутствии га-
зовых включений особую роль приобретает автотермоэлектрон-
ная эмиссия с поверхности электрода при отрицательной его по-
Рис. 3-2. Инфракрасные спектры ПЭ до старения (кривая 1), после
старения под действием разрядов в азоте (кривая 2, U—25 кВ, t=
= 100 ч), в кислороде (кривая 3, (7=14 кВ, £=21 ч), в воздухе
(кривая 4, (7=20 кВ, £=50 ч), а также после действия озона и окис-
лов азота в течение 50 ч (кривая 5)
лярности. Подобные процессы могут иметь место и при положи-
тельной полярности электрода, но в этом случае проводимость
имеет, по-видимому, дырочный механизм. При этом работа вы-
хода составляет не более 3 эВ вследствие понижения потенци-
ального барьера на границе раздела веществ; либо за счет на-
капливающихся объемных разрядов, либо за счет влияния ближ-
него порядка коллективизации электронов в жидком или
твердом диэлектрике. Понижение потенциального барьера при-
водит к тому, что достаточно мощная эмиссия электронов может
возникать при локальных напряженностях порядка 5-Ю5 В/см.
Автотермоэлектронную эмиссию можно считать родоначаль-
ницей электронных процессов в жидких и твердых диэлектри-
ках, определяющих дальнейшее развитие ч. р. Разрушение
75
диэлектрика происходит за счет энергии, накопленной электро-
нами в электрическом поле и переданной молекулам и атомам
диэлектрика.
Энергия ч. р. расходуется на развитие следующих процес-
сов: разогрев объема газа или жидкости включения и прилегаю-
щих к нему объемов твердого диэлектрика; возбуждение атомов
газа или жидкого диэлектрика соответственно при развитии ч. р.
в газе или жидкости и связанное с этим процессом излучение;
ионизацию атомов газа или жидкости; бомбардировку поверх-
ности твердого диэлектрика, прилегающей к области развития
ч. р. или электродов (разрыв молекулярных связей, эрозию,
структурные изменения); расширение канала разряда.
По данным [21] при ч. р. в газовом включении около 30%
энергии тратится на расширение канала разряда, до 25% —на
излучение, 3—4% — на ионизацию, 6—8% —на бомбардировку
поверхности твердого диэлектрика электронами. Эксперимен-
тально показано, что при ч. р. в жидких диэлектриках на излу-
чение, регистрируемое на расстоянии около 1 см от места воз-
никновения ч. р., тратится порядка 0,1% всей энергии разряда.
Прямые данные о доле энергии, преобразующейся в тепло,
отсутствуют. Как следует из данных литературы, эта доля за-
висит от вида разряда и увеличивается при уменьшении темпе-
ратуры канала разряда. Часть энергии расходуется на расши-
рение канала. Подсчеты показывают, что на разрушение ди-
электрика затрачиваются лишь проценты от общей энергии
разряда.
Несмотря на большие различия в характере и степени раз-
рушения разных материалов и видов изоляции, можно выска-
зать ряд положений, являющихся достаточно общими, для ор-
ганических диэлектриков.
Разрушения, возникающие в твердых и жидких диэлектри-
ках в отсутствии кислорода, обычно связаны с выделением во-
дорода или с выделением других газов водородного происхож-
дения — это могут быть метан, углекислый газ и т. д. Возможно’
образование углеродистых соединений, в ряде случаев имеющих
значительную проводимость — это могут быть асфальтены, уг-
леродистые образования типа дендритов (поверхностных денд-
ритов и т. д.). В хлорированных диэлектриках возможно выде-
ление хлора, хлористого водорода и их производных.
Как показано в [53], при разрушении полимеров разрядами
в атмосфере азота происходит газовыделение, причем, напри-
мер, при воздействии ч. р. на полиэтилен 99% газа состоит из
водорода. Была установлена линейная зависимость между мощ-
ностью ч. р. Рч. р и скоростью выделения водорода ин3 (рис. 3-3).
Для оценки стойкости полимеров к воздействию ч. р. предлага-
ется ввести критерий Кр, причем
Кр — Рч. р/Щъоти ~ Пч. р О^ч. р о/^Н2отн, (3-1)
76
где vн2отн— относительная скорость выделения водорода, от-
несенная к 1%-ной концентрации водорода в материале; пч. р0—
число ч. р. в секунду с амплитудой U4. Ро; р0 — наиболее ве-
роятная амплитуда импульсов
ч. р. (измерялась в вольтах).
В табл. 3-1 приведены зна-
чения полученного критерия
Кр для некоторых материалов,
а также значения величин, вхо-
дящих в формулу (3-1), и ве-
личин, характеризующих усло-
вия проведения эксперимента.
Как следует, например, из
приведенных данных, из обсле-
дованных диэлектриков наибо-
лее стойким к воздействию ч. р.
является эпоксидная смола С,
обладающая наибольшим зна-
чением Кр.
Характер описываемых яв-
лений сходен с характером
процессов, протекающих при
пробое твердых диэлектриков,
когда в основном необходимо
рассматривать затраты энер-
гии на разрыв молекулярных
связей, ионизацию атомов,
Рис. 3-3. Зависимость мощности ч. р.
(/) и скорости выделения водо-
рода (2) от толщины dB газовой
прослойки
Таблица 3-1
Значения критерия Кр для некоторых диэлектриков,
характеризующего их стойкость к разрушению
ч. р. (dB = 1 мм; U = 4,5 кВ)
Материал Толщина ди- электрика, мм W W п , с-1 ; "Ч. Р 0’ С 1 аэ © в* £ п U2 ч. р о ч. р 0 10’ В7ч г СМ3/Ч ПЧ. р 0 х X U2 /ои. ч. р 0' п - 106 В7см3 Концентрация водорода в ма- териале, % Кр, 107В7см3
Полиэфирная смола А Эпоксидная смола: 0,27 2,68 113 47 9 12,5 72 6,7 48,2
В 0,29 2,85 87 50 7,83 25 31,3 7,94 25
С 0,265 2,97 48 115 22,8 10 228 6,89 157
D 0,28 2,62 35 120 18,1 9,5 191 6,14 117
Е 0,3 — 180 50 16,2 20 81 8,29 67
77
образовавшихся в результате разрыва связей, образование
плазмы. При рассмотрении ч. р. принимаются во внимание те
же самые процессы, однако, в этом случае весьма существенную
роль играют и обратные процессы, а именно — объединение
(сшивание) радикалов и образование новых химических соеди-
нений. Например, наряду с процессами дегидрогенизации, т. е.
с процессами выделения водорода, идут процессы гидрогениза-
ции, т. е. химическое присоединение водорода к свободным или
ненасыщенным связям.
Таким образом, если в теории пробоя твердых диэлектриков
рассматриваются только процессы разрушения, то механизм раз-
рушения диэлектрика под действием ч. р. более сложен
и должен включать образование новых химических соединений,
которые приводят к изменению электрической и механической
прочности диэлектрика, к изменению его проводимости, к обра-
зованию проводящих включений.
3-2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАЗРУШЕНИЕ
ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В соответствии с общим подходом к рассмотрению разруше-
ний изоляции, определяющими должны быть либо энергия еди-
ничного разряда либо мощность разрядов.
Характеристики единичного разряда являются определяю-
щими в тех случаях, когда может происходить активный обмен
в среде диэлектрика. Это характерно, например, для компо-
зиции твердого и достаточно большого количества жидкого
диэлектрика, способного интенсивно циркулировать в изоляци-
онной конструкции. В этом случае продукты разрушения жидко-
сти, возникающие под действием разрядов малой интенсивно-
сти, быстро ликвидируются и не накапливаются в месте ч. р.
При значительной энергии единичного импульса возникает раз-
рушение уже в твердой фазе комбинированного диэлектрика,
определяющее дальнейшее развитие разрушения вне зависимо-
сти от свойств жидкости. Типичный пример композиции такого
типа — маслобарьерная изоляция силовых трансформаторов,
для разрушения которой определяющей является энергия еди-
ничного разряда. Эта энергия в ряде случаев может быть оха-
рактеризована кажущимся зарядом единичного разряда.
Если происходит общее изменение структуры диэлектрика,
например сильное газовыделение, насыщение газом, или изме-
нение химической структуры, связанное с выделением кислот,
с увеличением tg 5, с возможностью развития теплового пробоя,
то необходимо иметь в виду, прежде всего, мощность ч. р.
При поверхностной эрозии скорость разрушения диэлек-
трика пропорциональна среднему току ч. р., а не мощности. Это
объясняется тем, что здесь определяющим является поверх-
78
ностное вложение энергии или поверхностная плотность энер-
гии. Так как энергия каждой частицы, участвующей в разряде,
изменяется в ограниченном интервале, то общая энергия или об-
щая мощность, передаваемая поверхности диэлектрика, целиком
определяется количеством частиц, попадающих на поверхность;
при этом можно рассматривать ток или плотность тока ч. р. как
характеристики, определяющие эрозию и разрушение твердого
диэлектрика. Следует также отметить, что при поверхностной
эрозии часть энергии ч. р. теряется в газовом промежутке. Если
канал разряда расположен в толще твердого диэлектрика или
в жидкой фазе комбинированного диэлектрика, когда энергия
всего канала участвует в разрушении диэлектрика, то прежде
всего необходимо учитывать энергию или мощность разрядов.
3-3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАЗРУШЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В § 3-2 показано, какие характеристики ч. р. необходимо
в первую очередь принимать во внимание при рассмотрении раз-
рушения диэлектрика. Для количественной оценки степени раз-
рушения требуется также знать энергетические характеристики
диэлектриков, связывающие энергию, переданную веществу, и
степень разрушения. Энергетическая характеристика В имеет
физический смысл количества вещества, разрушенного при воз-
действии энергии разряда в 1 Дж и имеет размерность г/Дж или
см3/Дж [42].
В качестве энергетической характеристики может рассмат-
риваться коэффициент эрозии Вэ, г/Дж, когда идет речь о раз-
рушении полимерных материалов; коэффициент газостойкости
Вг, см3/Дж, когда речь идет о газовыделении из твердых или
жидких диэлектриков; коэффициент Вк, г/Дж, при выделении
низкомолекулярных кислот; коэффициент Вх, г/Дж, характери-
зующий скорость образования продуктов уплотнения (Х-вос-
ка) при разложении жидких диэлектриков. Так, например, ко-
эффициент f(P в формуле (3-1) по существу является величиной,
равной 1/Вг.
Таким образом, представляется целесообразным следующий
подход к установлению связи между интенсивностью разрядов
и разрушением изоляции. Зная, с одной стороны, энергию еди-
ничного ч. р. или суммарную энергию большой серии дли-
тельно существующих разрядов и, с другой стороны, общее
количество разрушенного при этом диэлектрика, можно опреде-
лить количество разрушенного вещества или количество ве-
ществ, полученных вследствие разрушения (разложения) исход-
ного материала, при развитии ч. р. с энергией в 1 Дж.
В качестве примера рассмотрим энергетические характери-
стики разрушения минерального масла в бумажно-масляной
изоляции. Как уже говорилось, прежде всего под действием ч. р.
79
происходит разрушение молекул масла. Известно, что мине-
ральное масло состоит, в основном, из углеводородов трех фрак-
ций: парафиновых, нафтеновых и ароматических. Под действием
электронной бомбардировки отщепляются атомы водорода,
в принципе, от молекул любой из этих фракций. Наряду с от-
рывом водорода происходит реакция гидрогенизации, т. е. при-
соединения атомов водорода. В реакции гидрогенизации участ-
вуют, в основном, молекулы ароматической фракции, имеющие
бензольные кольца с двойными (т. е. ненасыщенными) связями
между атомами углерода.
Если рассматривать только процессы отрыва водорода, то,
зная энергию связи водорода в молекуле парафина, нафтена или
ароматики, можно подсчитать количество газа, который выде-
ляется из масла при затрате энергии в 1 Дж. Энергия связи
С—Н составляет около 100 ккал/моль, т. е. порядка 4 эВ.
Таблица 3-2
Значения коэффициента эрозии Вэ
для пленочных полимеров и эпоксидных компаундов
Материал ВЭ’ мм’/Дж Вэ- Г Дж
Полиэтилен Полиэтилентерефталат . . . Фторопласт-4 Аральдит с отвердителем Аральдит с отвердителем и наполнителем 1,3-Ю-3 1,4-10-з 5,7-Ю-з 2-Ю-3 5,9-Ю-з — to to ф*. to о о о о о 1 • 1111 es сл es es
По расчетам под действием энергии в 1 Дж выделяется при-
мерно 3-102 см3 водорода, а при определении эксперименталь-
ным путем эта величина оказывается намного меньше. Иссле-
дования, проведенные на образцах изоляции и в реакторах для
определения газостойкости масел, дали значения коэффициента
газовыделения Вг, равные (1—3)-10 4 см3/Дж. Значительно мень-
шие, по сравнению с вычисленными, значения коэффициента Вг
объясняются, во-первых, тем, что на разрушение уходит не вся
энергия разрядов, а только меньшая ее часть (остальная часть
энергии преобразуется в тепловые колебания молекул диэлек-
трика и идет на расширение канала разряда). Во-вторых,
в масле идут не только реакции разложения, но и реакции гид-
рогенизации, интенсивность которых увеличивается с увеличе-
нием содержания ароматики.
Экспериментальные данные по определению срока службы
изоляции на основе полимеров и эпоксидных смол также пока-
зывают, что можно связать единицу затраченной энергии с ко-
личеством разрушенного диэлектрика, т. е. определить коэффи-
циент эрозии (табл. 3-2) [57].
80
3-4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ
Электрическое старение и разрушение диэлектрика под дей-
ствием ч. р. во многом связано с химическими процессами, про-
текающими в области развития ч. р. Это главным образом от-
носится к химическим реакциям, протекающим при воздействии
на диэлектрик продуктов, возникших в результате ч. р„ или ре-
акциям микрорадикалов, образовавшихся под действием ч. р.,
с кислородом газовой среды или другими активными вещест-
вами, возникшими в результате ч. р. Скорость протекания этих
процессов определяется кинетикой химических реакций.
Если обозначить через Ао начальное число молекул вещества
в единице объема, а через At — то же число молекул через про-
межуток времени t, то скорость химических реакций в больший-
(dA 1 \
-------- = KtAt,
di /
где Kt — средняя вероятность распада одной молекулы в еди-
ницу времени, определяющая скорость химических реакций.
Зависимость скорости реакции от температуры подчиняется
закону Аррениуса:
Kt^Ke~w*{kT} , (3-2)
где К — постоянная, зависящая от структуры веществ, всту-
пающих в реакцию; 1Еа — энергия активации; k — постоянная
Больцмана.
Из последних двух уравнений с учетом начальных условий
(при t = 0, А = А0) получаем At = Aae~K,t.
Для органической изоляции интенсивность химических про-
цессов обычно возрастает приблизительно вдвое с увеличением
температуры на каждые 10° С.
При старении на постоянном напряжении необходимо учи-
тывать, что с ростом температуры существенно возрастает ко-
личество ч. р. в единицу времени и ток ч. р. в соответствии
с (1-101). Это приводит к увеличению мощности ч. р. и сниже-
нию срока службы изоляции. В связи с этим при постоянном
напряжении с ростом температуры снижение срока службы
происходит как в результате увеличения скорости химических
реакций, так и в результате увеличения мощности ч. р., причем
в различных условиях может сильнее проявляться либо одна,
либо другая причины. В связи с изложенным, влияние темпе-
ратуры на срок службы изоляции сильнее сказывается при ста-
рении на постоянном напряжении, чем на переменном.
3-5. ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
В ПРОЦЕССЕ СТАРЕНИЯ
Изменение электрической прочности изоляции в процессе
старения происходит главным образом вследствие развития
в ней ч. р.
81
Зависимость пробивного напряжения от времени выдержки
изоляции под напряжением может быть определена двумя спо-
собами. Первый заключается в том, что к испытуемому объекту
прикладывается заданное напряжение и выдерживается до про-
боя. Изменяя напряжение, можно определить зависимость про-
бивного напряжения от времени выдержки при этом напряже-
нии.
Эта зависимость имеет характер вогнутой спадающей кривой
(при малых временах выдержки пробивное напряжение изме-
няется сильно, при больших временах — значительно слабее).
Характерная зависимость
Рис. 3-4. Характерные зависимости
пробивного напряжения от времени вы-
держки
1 — при выдержке заданного напряжения до
пробоя; 2—5 — при выдержке заданного на-
пряжения определенное время с последую-
щим определением пробивного напряжения
приведена на рис. 3-4, кри-
вая 1.
По второму способу к
испытуемому объекту при-
кладывается заданное на-
пряжение, которое выдер-
живается определенное вре-
мя, после чего определяется
1 пробивное напряжение
~ плавным подъемом или им-
пульсное. Таким образом
находится зависимость про-
бивного напряжения от вре-
мени выдержки изоляции
при определенном напряже-
нии выдержки, которое мо-
жет быть значительно мень-
ше пробивного.
Эта зависимость обычно
имеет характер выгнутой
(рис. 3-4, кривая 2) спадающей кривой (при малых временах
выдержки электрическая прочность изменяется слабо и резко
падает при больших временах непосредственно перед пробоем).
В ряде случаев эта зависимость определяется для пробивного
напряжения, форма которого совпадает с формой напряжения
выдержки. Легко показать, что в этом случае точки пересечения
кривых электрической прочности с соответствующей ординатой
напряжения выдержки отвечают зависимости, определенной по
первому способу (рис. 3-4).
В дальнейшем будет рассматриваться первая зависимость.
Исследование зависимости пробивного напряжения от вре-
мени выдержки Unp = f(t) требует весьма длительных экспери-
ментов, проведение которых в лабораторных условиях крайне
затруднительно. Поэтому время выдержки редко превосходит
сотни часов, причем эта зависимость часто вынужденно снима-
ется в области напряжений, значительно (в три раза и более)
превышающих нормальное рабочее напряжение изоляции.
82
Зависимость пробивного напряжения Unp от времени вы-
держки t в определенном интервале времен хорошо выражается
формулой вида:
[/ПР = 4ГВ * 10, (3-3)
где показатель степени а зависит от особенности изоляционной
конструкции, вида изоляции, рода воздействующего напряжения
и от его значения (последнее определяет характер старения изо-
ляции— область развития критических или начальных ч. р.),
а также от вероятности пробоя и других факторов. Так, напри-
мер, для конденсаторной изоляции при напряжении промышлен-
ной частоты а = 44-8, а для маслобарьерной изоляции силовых
трансформаторов при напряженностях, близких к рабочим,
а = 554-80.
Процессы старения при напряженностях, близких к рабочим
(кроме процессов термического старения, увлажнения и окис-
ления), связаны с развитием начальных ч. р., а часто и с пере-
ходом их в критические ч. р.
В случае, когда нарушение электрической прочности проис-
ходит не в результате внезапного процесса, а за счет посто-
янного накопления разрушений структуры диэлектрика под
воздействием ч. р., может быть введено понятие внутреннего ре-
сурса изоляционной конструкции [26]. Внутренний ресурс изо-
ляционной конструкции R представляет собой величину, харак-
теризующую способность изоляции в течение определенного вре-
мени выдерживать приложенное напряжение и противостоять
разрушающему действию процессов, протекающих при этом на-
пряжении (главным образом ч. р.). Внутренний ресурс изоля-
ционной конструкции может быть определен количеством твер-
дого, жидкого или газообразного вещества, которое должно быть
разрушено (образовано или выделено), для того чтобы привести
к нарушению или резкому снижению электрической прочности
изоляционной конструкции. Этот внутренний ресурс зависит от
структуры и размеров изоляции, видов диэлектриков, входящих
в эту структуру, а также от конструкции изоляции, расположе-
ния электродов и их формы. Для заданной изоляционной кон-
струкции при изменении напряжения в определенных пределах
в первом приближении внутренний ресурс может быть принят
постоянным.
В этом случае срок службы тсл изоляции может быть опре-
делен из выражения
тсл
R = B J P4,pdt. (3-4)
о
В первом приближении можно принять, что на протяжении
всего срока службы мощность ч. р. Рч. р не изменяется во вре-
мени, так как обычно значительное изменение (увеличение)
83
мощности ч. р. происходит непосредственно перед пробоем изо-
ляции. Тогда
R
ВРц. р
(3-5)
где 7? — внутренний ресурс изоляции; В — коэффициент, опре-
деляющий количество разрушенного диэлектрика (расходова-
ние. 3-5. Зависимость мощности Рч,р(1)
на единицу длины края электрода и
срока службы Тел (2) от напряжения.
Бумажно-масляная изоляция, Ц = 80мкм
ние ресурса) за счет ч. р.
с энергией 1 Дж.
Так как зависимости
мощности ч. р. от напряже-
ния или напряженности
электрического поля во мно-
гих случаях определяется
степенными выражениями
[см. формулы (1-56),
(1-97)], то формула (3-5)
хорошо соответствует экс-
периментально установлен-
ному выражению (3-3):
г^АЕ-а- (3-6)
Резкое увеличение мощ-
ности ч. р. при переходе от
начальных ч. р. к критиче-
ским ч. р. одновременно
приводит к тому, что зави-
симость срока службы от
напряженности становится
иной. В этом случае образу-
ется излом в кривой, харак-
теризующей зависимость
срока службы от напряже-
ния (рис. 3-5). Зачастую,
чтобы форсировать исследо-
вание сроков службы, применяются настолько повышенные на-
пряженности, что физический характер процессов, протекающих
в изоляции, в корне отличается от имеющего место в области
реальных рабочих напряженностей. Из рис. 3-5 видно, что при
попытке экстраполяции экспериментальных данных, полученных
при напряженностях Е>Екр, в область малых напряженностей
£<£'кр могут быть получены резко завышенные значения сро-
ков службы Тел. Следовательно, прямые эксперименты по опре-
делению сроков службы изоляции при повышенных напряжен-
ностях корректны только при неизменности физических процес-
сов, происходящих в изоляции. Обычно это имеет место при
напряженностях, ненамного превышающих рабочую (в 1,4—1,6
раза).
84
Срок службы изоляции существенно зависит от темпера-
туры, так как скорость химических реакций, происходящих
между продуктами, возникшими в результате ч. р., и диэлек-
триком, зависит от температуры (см. § 3-4).
Учитывая зависимость скорости химических реакций от тем-
пературы по (3-2), зависимость срока службы тСл от напряжен-
ности Е и температуры Т может быть представлена в следую-
щем виде:
хсл=АЕ^^. (3-7)
Формула (3-7) подтверждается экспериментально для многих
видов диэлектриков.
Следует, однако, еще раз подчеркнуть, что сокращение сро-
ков службы с ростом температуры при постоянном напряжении
может быть связано не только с ростом скорости химических
реакций, сопутствующих ч. р. в изоляции, но и с увеличением
мощности ч. р. за счет роста количества ч. р. в единицу времени.
При совместном действии электрических разрядов и меха-
нической нагрузки происходят разрывы химических связей как
под действием тепловых флюктуаций, так и под действием ч. р.
Если скорость разрушения под действием тепловых флук-
туаций при активизации внешним механическим напряжением—
vc, скорость разрушения под действием ч. р. — vq, то суммарная,
скорость разрушения по [3]
v = v„ + vq. (3-8)
Если предположить, что критерием разрушения (пробоя)
является разрыв некоторого определенного числа связей (что
определяет ресурс изоляции R), а также считать, что под дей-
ствием ч. р. разрываются такие же связи, что и под действием
тепловых флуктуаций, то срок службы тсл при совместном дей-
ствии механического напряжения и ч. р. будет равен
Изменение электрической прочности под действием разрядов
в воздушной среде зависит от энергии разряда, выделенной на
единице площади образца W4. р. уд:
Епр о KW4. р. уД, (3-10)
где К — эмпирический коэффициент.
Уменьшение электрической прочности при выделении энер-
гии ч. р. 1 Вт-ч/см2 для различных полимеров составляет: для
поливинилхлорида — 23 кВ/мм, для полиэтилена — 52 кВ/мм,
для полиэтилентерефталата — 70 кВ/мм и для полистирола —
93 кВ/мм.
85
Газообразные продукты разряда незначительно влияют на
электрическую прочность, но их присутствие существенно уско-
ряет снижение электрической прочности под действием разря-
дов (усиливает изменение свойств и структуры полимеров).
В развитие основных положений, заложенных при опреде-
лении срока службы изоляции по формуле (3-5), было принято,
что для пробоя материал должен быть разрушен ч. р. на такую
глубину, чтобы пробивное напряжение оставшегося слоя мате-
риала толщиной d0 равнялось приложенному при старении на-
пряжению [21].
Если т — время воздействия напряжения, то доза энергии D,
поглощенной единицей массы диэлектрика, равна
Г) _ ср-^ч. р. вт (3-11)
<7эМ ’ k ' '
где /ч. р. в — ток ч. р. (в газовой прослойке); №э. ср — средняя
энергия электронов; q3 — заряд электрона; М — масса диэлек-
трика, расположенного над и под газовой прослойкой.
Если положить, что для разрушения 1 г диэлектрика необ-
ходима одна и та же доза поглощенной энергии, независимо от
толщины твердой фазы диэлектрика d^, то критическую дозу
Ок, Дж/кг, поглощенной энергии, приводящей к пробою, можно
определить по выражению:
DK =2,5-10-
12 f&EaWэ. ср8гдт
?эр (da — do)
(3-12)
где f — частота приложенного напряжения; Д£д=((/—U^)ldn,
р и егд — соответственно плотность и относительная диэлектри-
ческая проницаемость твердого диэлектрика.
Средняя энергия бомбардирующих диэлектрик электронов
W3. ср, в электрон-вольтах можно приближенно вычислить по
формуле
^э.ср = 8,63-10-4Тг 21+ 331g
/ 0,5
\ +
(3-13)
где dB — в см, Тг — температура газа в разрядном канале, К.
Критическая доза снижается с повышением напряженности
в твердом диэлектрике E^U/dn в соответствии с выражением
lgDK = lgZ?0-р]/Щ. (3-14)
Значения Do и DK могут определять относительную стой-
кость полимерных материалов к воздействию ч. р. Наиболее
стойким материалом к воздействию ч. р. является полипропи-
лен, обладающий наибольшим Do и DK; наименее стойким —
триацетатцеллюлоза.
В [3] зависимость срока службы от напряжения или напря-
женности представляется формулой
тсл = Ве-Ь£- (3-15)
S6
Эксперименты на полимерных пленках показали справедли-
вость формулы (3-15), в которой В и b — параметры, завися-
щие от природы полимера и условий испытания, причем
с ростом температуры они уменьшаются. Весьма интересным яв-
ляется то, что зависимости 1g тсл от Е при различных темпера-
турах изображаются семейством прямых, которые при экстрапо-
ляции в сторону малых значений времени и больших напря-
женностей сходятся в одной точке — полюсе при lgTCa =—12^
Рис. 3-6. Зависимости сроков службы тсл (в секундах)
полимерных пленок полиэтилена (1, 2, 3 и 4) и поли-
этилентерефталата (!', 2', 3', 4') от напряженности
электрического поля при различных температурах
Z — 323; 2 - 293; 3 — 223; 4-173; 1’ - 293; 2' - 223; 3'- 173: 4’—
138 К
где тел выражено в секундах (рис. 3-6). Величина то=1О-12 с
совпадает с периодом собственных колебаний атомов в твер-
дом теле.
Полученные прямолинейные зависимости для разных посто-
янных значений напряженности Е при экстраполяции в сторону
меньших значений времени и повышенных температур также
пересекаются в одной точке (полюсе). Таким образом, темпе-
ратурная зависимость срока службы соответствует (3-2), в ко-
торой величина W& зависит от напряженности электрического-
поля Е-.
^а=Га0-хЕ, (3-16)
где х— коэффициент, зависящий от структуры материала.
87
На основании (3-2), (3-15), и (3-16) была получена следую-
щая зависимость срока службы от напряженности и темпе-
ратуры:
п inx / W'ao —
Тел = С (Е) ехр ---------------
(3-17)
При этом можно предположить, что разрушение полимеров
под действием электрического поля является кинетически-ак-
тивационным процессом, развивающимся во времени подобно
механическому разрушению и связанным с разрушением соот-
ветствующих молекулярных связей.
Аналогичные предположения высказаны в работе [16], в ко-
торой была развита термофлюктуационная теория пробоя. Ве-
роятность разрыва молекулярных связей может быть прибли-
женно представлена формулой
n 11 2£)1е
Dx — af In-----—
_____________afc
2kT
(3-18)
где 1/то — частота колебаний атомов в цепочке; fc — сила, воз-
действующая на связь; D\ — энергия диссоциации связи (при-
ближенно энергия разрыва связи); е—основание натуральных
логарифмов; а — характеристика кривизны зависимости потен-
циальной энергии взаимодействия соседних атомов цепи поли-
мера от межатомного расстояния г. Для некоторых диэлектри-
ков, имеющих связи С—С, а~гр/3,2, где гр — равновесное меж-
атомное расстояние.
Сила, действующая на связи, может быть определена через
молекулярные константы:
еаМо,
2т
(3-19)
где М — молекулярная масса многомерного звена; гс — длина
связи; р — плотность материала; N — число Авогадро; т — мо-
лекулярная масса конца цепи, способной к проскальзыванию,
не воспринимая механической нагрузки; тц — молекулярная
масса цепи полимера; <тэ — эквивалентное механическое напря-
жение, создающее такое же увеличение свободной энергии W,
как и совместное действие механического напряжения <т и элек-
трического поля Е.
Величина <тэ может быть определена из выражения:
w а2 е£2 q<,
2Дм 2 2GM ’
(3-20)
где GM — модуль упругости.
88
Подставив в (3-19) оэ из (3-20) и используя (3-18), по-
лучим:
(3-21>
где
Ле~6Г =___. (3-22>
З^рб——'j
\ тц /
Можно считать, что разрушение материала произойдет при
наступлении достоверного события разрыва связей q за время
Тел, т. е.
^сл= I-
(3-23>
Используя (3-23), можно получить выражение для зависи-
мости срока службы Тел от напряженности электрического поля
Е, температуры Т и механического напряжения <т:
(3-24}
По данным [16], экспериментальные зависимости хорошо со-
ответствуют выражению (3-24).
При наличии ч. р. механизм разрушения диэлектрика оста-
ется неизменным, причем основными действующими факторами
разрушения при ч. р. являются усиление местной напряженно-
сти поля и высокая температура диэлектрика.
Предложенный термофлюктуационный механизм разруше-
ния диэлектриков может быть с успехом применен для рас-
смотрения процессов электрического старения твердых диэлек-
триков (зарождения дендритов в полимерных материалах, раз-
рушение эпоксидных компаундов и др.). При этом, однако,
необходимо также учитывать роль непосредственного взаимо-
действия электронов, возникающих в канале ч. р., с молекулами,
расположенными вблизи поверхности диэлектрика. Так как
электроны, способные совершать процессы ионизации, имеют
энергию порядка десятка или даже десятков электрон-вольт,
89-
то при их взаимодействии с молекулами жидкого или твердого •
диэлектрика неизбежны процессы разрыва связей, энергия ко-
торых обычно равна нескольким электрон-вольтам, что может
привести к разрушению диэлектрика.
3-6. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
При воздействии ч. р. срок службы изоляции определяется
'следующими механизмами: а) случайными процессами, приво-
дящими к нарушению электрической прочности без предвари-
тельного заметного старения диэлектрика; б) процессами на-
чального разрушения диэлектрика, приводящими к появлению
местных неоднородностей с пониженной электрической проч-
ностью (газовые включения, дендриты и т. д.); в) локальным
разрушением диэлектрика под воздействием ч. р., развиваю-
щихся в местах возникших или имеющих место неоднородно-
стей.
Время до пробоя или срок службы определяется либо сум-
мой времен развития отдельных механизмов, либо временем
развития одного из механизмов, приводящего к потере электри-
ческой прочности.
Время развития каждого из механизмов подчинено своей
статистической закономерности. Чаще всего для функций рас-
пределения сроков службы тсл при заданной напряженности
для каждого из механизмов разрушения используются либо
распределение Вейбулла
Г(тсл)=1—е (3-25)
.либо логарифмически нормальное распределение
F (тол) = -Д- f у- ехр Г- (1пТ;л2~а)Ч dxw, (3-26)
у 2л о J тсл L 2 ст|
О
где X, а, а и а — параметры соответствующих распределений.
Результирующая функция распределения часто является
композицией двух или даже трех функций.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды изоляции,
когда результирующая функция распределения является ком-
позицией двух функций.
При этом возможны два случая. В первом — завершение
развития процесса по одному из механизмов исключает воз-
можность дальнейшего последовательного развития процесса
по другому механизму. В качестве примера можно привести
разрушение изоляции импульсного конденсатора при высоких
напряженностях электрического поля [28]. В этом случае пер-
вым механизмом является возникновение сквозного пробоя
90
конденсаторной изоляции в месте случайного совпадения не-
скольких разрядов в отдельных слоях жидкого диэлектрика
или совпадения разряда в прослойке жидкого диэлектрика со
слабым местом в листе конденсаторной бумаги (проводящим
включением). Вторым механизмом является разрушение конден-
саторной изоляции ч. р., возникающее у края обкладки. В этом
случае очевидно, что завершение развития процесса по первому
механизму исключает возможность дальнейшего его развития
по второму механизму (параллельное развитие двух процессов).
Тогда результирующая функция распределения срока
службы (количества импульсов NCJt до пробоя) может быть
представлена в следующем виде:
*сл
F(^J= у [l-F2(NM(Ncn)dNCJ1 +
О
+ Т [ 1 - Л М f2 (AZCJi) dN^, (3-27)
О
где /1 (Мел) =dFi (NCn)/(dNca)—плотность вероятности срока
службы NCJI по первому механизму; f2(NCn) = dF2(NCIl)/dNon—
плотность вероятности срока службы Nсл по второму меха-
низму.
Нетрудно показать, что в этом случае
F (AQ = F, (AQ + F2 (Ысл) - Fr (Nw) F2 (N^). (3-28)
Если 1—F(Wcn)=Q; 1—Fi(7Vcn)=Qi и 1— F2(Nca) = Q2, to
из (3-28) следует Q = QiQ2.
При малых значениях F2(NC1I) имеем F(Ncn) ~F} (NCn) и
при малых значениях Fi(Nc3t) имеем F(NC!i) ^F2(NCn).
Поскольку срок службы по первому механизму не связан
со старением диэлектрика, то F,(NCJI) должно подчиняться рас-
пределению Вейбулла при а=С 1, в том числе при а=1 — экспо-
ненциальному распределению:
Л(^л)=1-Г^сл. (3-29)
Распределение F2(NC1I) определяется минимальным из вре-
мен разрушения диэлектрика в отдельных локальных участках,
поэтому для F2(NCn) может быть использовано распределение
Вейбулла:
Л(^сл)=1-е (3-30)
с учетом (3-29) и (3-30) F(NCSI) = 1—ехр(ММСЛ + М^“).
Экспериментальные данные хорошо подтверждают эти со-
отношения. На рис. 3-7 приведены кривые распределения сро-
ков службы бумажно-касторового диэлектрика конденсатора,.
91-
работающего в импульсном режиме при высоких напряженно-
стях электрического поля (80<£< 100 кВ/мм). Как следует из
приведенных данных, кривые распределения сроков службы со-
стоят из двух участков: первый (в области малых сроков
службы) хорошо соответствует формуле (3-29) и второй (в об-
ласти больших сроков службы) хорошо соответствует формуле
(3-30).
Рассмотрим второй случай, при котором процесс старения
состоит из последовательно развивающихся двух процессов.
Рис. 3-7. Функции распределения срока службы бумажно-касторо-
вого диэлектрика импульсных конденсаторов при различных на-
пряженностях
Г—160; 2—140; 3 — 125; 4—100; 5 — 80 кВ/мм
В качестве примера можно рассмотреть разрушения изоляции
лолиэтиленовых кабелей при длительном воздействии перемен-
ного напряжения или при многократном воздействии импульс-
ного напряжения [29, 30]. В этом случае при определенных ус-
ловиях причиной разрушения изоляции являются процесс за-
рождения дендритов и процесс развития дендритов, причем
очевидно, что эти процессы должны развиваться последова-
тельно. Если общий срок службы изоляции кабеля равен тСл
или Л1сл и время или количество импульсов, необходимых для
развития дендрита, тр или Afp, то для данного срока службы
изоляции тел или NCn время или количество импульсов, необхо-
димых для зарождения дендрита, равно АГ3=М;л—АГР или т3=
=тсл—тр. Предполагая независимость времен зарождения и
развития дендритов, функция распределения сроков службы
может быть представлена в следующем виде:
дг
^(Л^сл)= Г F^-NJdF^NJ, (3-31>
о
52
где Fi (W3) — функция распределения времен зарождения ден-
дритов и F2(NP)—функция распределения времен развития
дендритов.
Как показывают эксперименты, распределение времени за-
рождения дендрита соответствует закону Вейбулла:
F1(N3)=l-e~KNt (3-32)
где X и а — параметры распределения.
Рис. 3-8. Композиционная функция распределения времени до пробоя
= [1—exp ( — М“л)] Ф (/, Г и /") при
-М“л
различных параметрах функций Fj (Мсл) =1 — е (2) и
Га(А^сл) = Ф^.............а\(3, 3' и 3")
Время развития дендрита подчиняется логарифмически нор-
мальному закону
г2(^)=_L-
У 2я а
f — exp
о
(In Мр — а)а
2а2
dNp,
(3-33)
где ар и ор — параметры этого распределения.
Композиция распределений (3-31) с учетом (3-32) и (3-33)
может быть представлена в виде
N
F(NM) = .1— f {1—exp [-l(tfM-tfp)a]} x
У 2л a о
X -^-exp
Wp
(In Af р — д)а
2a2
dN.
(3-34)
93
Приближенно выражение (3-4) может быть преобразовано
к виду
F ~ Л (М,л) Ъ (ЛГСЛ) ~ [ 1 —ехр (-М“)] X
Xф/ 1пЛ<??-.а \; (3-35)
\ О /
где Ф — функция Лапласа — Гаусса.
На рис. 3-8 приведены функции распределения F(NCJI), вы-
численные по (3-35) при различных параметрах функций
Fi(N3) и Ft(Np). Как следует из (3-35), в зависимости от со-
отношения между Fi и Ft, функция F(NCn) приобретает формы
от преимущественно логарифмически нормальной до вейбул-
ловской.
3-7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДОПУСТИМЫХ НАПРЯЖЕННОСТЕЙ
Допустимые напряженности могут определяться следую-
щими условиями надежной безаварийной работы: 1) при рабо-
чем напряжении в течение требуемого срока службы; 2) при
воздействии перенапряжений (внутренних, грозовых), возни-
кающих на электрооборудовании в процессе эксплуатации.
Как первое, так и второе условие могут являться опреде-
ляющими для выбора допустимых рабочих напряженностей и
габаритов изоляционных конструкций.
Первое условие связано с процессами электрического старе-
ния при длительном воздействии рабочего напряжения с теп-
ловым режимом изоляционной конструкции и определяет вы-
бор допустимых рабочих напряженностей. Если определяю-
щими в процессе электрического старения являются ч. р., то
рабочие напряженности выбираются на основании допустимых
характеристик ч. р. Если определяющими являются тепловые
процессы, то рабочие напряженности выбираются из соображе-
ний отсутствия недопустимого перегрева изоляции и отсутст-
вия возможности развития теплового пробоя. В отдельных слу-
чаях допустимые рабочие напряженности могут определяться
электрохимическими процессами старения (например, электро-
литические процессы при постоянном напряжении).
Второе условие определяется главным образом кратковре-
менной электрической прочностью и допустимые напряженно-
сти при перенапряжениях определяются из условий отсутствия
(или достаточно малой вероятности) пробоя изоляции при ожи-
даемом числе перенапряжений определенной амплитуды и
формы. При этом необходимо также учитывать, чтобы воздей-
ствия ожидаемых перенапряжений не приводили к необрати-
мым изменениям в изоляции, снижающим длительную электри-
ческую прочность изоляции. В этом случае допустимые напря-
94
женности могут определяться также допустимыми характери-
стиками ч. р. при воздействии перенапряжений.
Рассмотрим более подробно выбор допустимых рабочих на-
пряженностей по характеристикам ч. р.
В этом случае допустимые рабочие напряженности опреде-
ляются по условиям допустимой интенсивности ч. р. при задан-
ном сроке службы. Для различных видов изоляции и различ-
ных изоляционных конструкций определяющими могут быть
различные характеристики ч. р.
Для изоляционных конструкций, содержащих жидкие ди-
электрики, подверженные интенсивной циркуляции и обмену,
определяющей характеристикой чаще всего является значение
кажущегося заряда ч. р. Эта же характеристика может яв-
ляться определяющей, если возникновение ч. р. определенной
интенсивности приводит к необратимым изменениям в твердой
или комбинированной изоляции и возникновению нового разви-
вающегося процесса разрушения изоляции (ползущий разряд,
дендрит, науглероженный побег по поверхности изоляции).
Для этих конструкций допустимые рабочие напряженности,
а в ряде случаев и допустимые напряженности при перенапря-
жениях определяются условием отсутствия ч. р. с кажущимся
зарядом определенного опасного значения.
Для рабочих напряженностей и напряжений определяю-
щими являются характеристики начальных ч. р. Обычно в этих
случаях допустимая рабочая напряженность Ераъ и аналогично
допустимое рабочее напряжение Upa6 выбираются из усло-
вий [7]:
^раб= 3(тН£, (3-36) ЗоН[/, (3-37)
где Еа и Ua — соответственно средние значения напряженности
и напряжения начальных ч. р. с кажущимся разрядом опреде-
ленного значения; стне и стни— среднеквадратичные отклонения
напряженности и напряжения указанных начальных ч. р.
Формулами (3-36) и (3-37) можно пользоваться при рас-
пределении напряженности и напряжения начальных ч. р.,
близких к нормальному, и ограниченном значении коэффици-
ента вариации <гне/£н или <jnU/Un, не превышающем 0,15.
Для выбора допустимых испытательных напряженностей
Диеп “и напряжений Uacn можно исходить из условия допустимо-
сти при испытаниях начальных ч. р., не приводящих к быст-
рому разрушению изоляции, и не допускать критических ч. р.,
приводящих к быстрым необратимым изменениям. При этом
можно пользоваться аналогичными формулами:
^исп= ^кр 3<тКр£ (3-38) и t/Hcn= ^кр (3-39)
где ДКР и UK-p — соответственно средние значения напряженно-
сти и напряжения критических ч. р.; стКрЕ и стКри— среднеквад-
95
ратичные отклонения напряженности и напряжения критиче-
ских ч. р.
Обычно функции распределения напряженности или на-
пряжения критических ч. р. достаточно хорошо соответствуют
нормальному закону, а коэффициенты вариации (Ткри/Екр или
(Ткрп/^кр не превышают 0,1.
Формулы (3-36) — (3-39) соответствуют вероятности возник-
новения недопустимых ч. р. при рабочих или испытательных
напряжениях, равной приблизительно 10~3.
Если в изоляции процессы разрушения диэлектрика ч. р.
накапливаются и постепенно приводят изоляцию к разруше-
нию, причем в процессе их развития практически вплоть до
пробоя или резкого снижения электрической прочности физика
и характер процесса разрушения изоляции остаются неизмен-
ными, то в этом случае определяющими характеристиками ч. р.
являются мощность или ток ч. р.
В этом случае срок службы определяется внутренним ре-
сурсом изоляции (см. § 3-5). На основании (3-5) при задан-
ном сроке службы тсл может быть определена допустимая
мощность ч. р.
^.р.доп = -^-, (3-40)
£>ТСЛ
и, зная зависимость мощности ч. р. от напряженности, напри-
мер по (1-56), может быть определена допустимая рабочая на-
пряженность электрического поля
Как показывают эксперименты, допустимая рабочая напря-
женность в этих случаях определяется чаще всего ч. р. с интен-
сивностью на уровне 10-14—Ю-15 Кл, что существенно затруд-
няет экспериментальное определение требуемых параметров.
В этом случае характеристики ч. р. на уровне 10-12—1О11 Кл
(например, напряжение возникновения этих разрядов) не мо-
гут характеризовать длительную электрическую прочность изо-
ляции и могут явиться только фактом, контролирующим состоя-
ние изоляции в целом: отсутствие грубых дефектов, качество
технологии изготовления изоляции, отсутствие увлажнения,
расслоения и т. п.
В отдельных случаях определить допустимые напряженно-
сти электрического поля можно исходя из термофлюктуацион-
ной теории. При этом допустимая рабочая напряженность оп-
ределяется по формуле (3-24) для заданного срока службы тСл-
96
В качестве диэлектрика секций в силовых конденсаторах
применяется бумажная, пленочно-бумажная или пленочная
изоляция, пропитанная жидким диэлектриком (нефтяным мас-
лом, хлордифенилами, касторовым маслом и др.).
В изоляции секции конденсатора можно выделить две ха-
рактерные области: первая область сильно неоднородного поля,
которая возникает у края фольги и сохраняется на расстоянии
от края обкладки на порядок больше, чем толщина диэлек-
трика; вторая область — плоскопараллельного поля, имеющая
место под обкладками на больших расстояниях от края фольги,
и где напряженность электрического поля в каждом из слоев
диэлектрика остается постоянной. В большинстве случаев на-
пряженность ч. р. выражается средней расчетной напряженно-
стью электрического поля [42]
Е„р = 1/,.рЧ, (4-1)
где U4, р — напряжение, прикладываемое к обкладкам секции
конденсатора, приводящее к возникновению ч. р. определен-
ной интенсивности; dc — толщина твердой фазы диэлектрика
секции.
Поскольку изоляция секций состоит из ряда последователь-
ных слоев бумаги, пленки и жидкого диэлектрика, то при рас-
смотрении электрических характеристик такой изоляции наибо-
лее целесообразно применить последовательную эквивалентную
схему, приведенную на рис. 4-1, в которой слои бумажной, пле-
ночной изоляции и жидкого диэлектрика соединены последо-
вательно.
Исходя из схемы рис. 4-1, для напряженности электриче-
ского поля в бумаге Е&, пленке £п и жидком диэлектрике Еж
справедливы формулы:
,, Е'
Еб =-----------------=-----------; (4-2)
8б / 4б. + 4п_ + М еб Мб on + М
\ ₽'б еп еж/ \ еб еп еж/
4 Г. С. Кучинский
97
/ I I Лж\
БП-----1-----“I--
\ Бб БП БЖ/
_________£ср________
/ | Яп . Ож\
БЖ-----1-----[---
\ Бб БП БЖ/
(4-3)
(4-4)
где U — напряжение, приложенное к обкладкам секции; de,
dn и dm — соответственно суммарная толщина бумажного, иле-
Рис. 4-1. Эквивалентная схема бумажно-пленочного пропитанного
диэлектрика
Б — бумага, Ж—жидкий диэлектрик, П — пленка
ночного и жидкого диэлектрика; еб, еп и еж — соответственно
диэлектрические проницаемости бумажного, пленочного и
жидкого диэлектрика; ae = deld-, aa^dnld; am^d^/d-, d = de + da +
-Ь^ж! Evp = Ujd.
Истинная толщина диэлектрика d связана с расчетной тол-
щиной секции dc = de + da соотношением
d — da/k3, (4-5)
где k3— коэффициент запрессовки.
Как следует из формул (4-2) — (4-4), напряженности в раз-
личных слоях диэлектриков могут существенно различаться.
При применении неполярных пропиточных жидких диэлектри-
ков (нефтяное масло) наибольшая напряженность возникает
98
в прослойке жидкого диэлектрика. Также высокая напряжен-
ность возникает в пленочном диэлектрике в случае применения
неполярных (полипропилен, полиэтилен, полистирол, фторо-
пласт и др.) или слабополярных (полиэтилентерефталат) пле-
нок. При применении полярных пропитывающих жидкостей
(хлордифенилы, касторовое масло) с диэлектрической прони-
цаемостью еж/ео~5,54-6, напряженность в прослойке жидкого
диэлектрика мало отличается от напряженности в бумаге. Так
как, однако, прочность жидкого диэлектрика существенно ниже
прочности пропитанной бумаги или пленки, то ч. р. возникают
прежде всего в жидком диэлектрике. При этом необходимо
учитывать, что в хорошо высушенной и пропитанной изоляции
нет пузырьков воздуха или какого-либо другого газа. Изоляция
пропитывается обычно при остаточном давлении 1—10~г Па,
в результате чего в изоляции остается 10-5—10~3 °/о газа (воз-
духа) по объему. Растворимость воздуха в жидких диэлектри-
ках при 20° С составляет около 10% по объему, поэтому весь
оставшийся газ будет растворен в пропитывающем составе. Га-
зовые включения могут образоваться лишь при интенсивном
разложении масла ч. д. в изоляции конденсатора, либо в ре-
зультате нарушения технологического процесса сушки и про-
питки.
В конденсаторной изоляции ч. р. при переменном напряже-
нии возникают прежде всего на краю электрода, где имеется
повышенная напряженность электрического поля.
Малая толщина бумаги и пленок (4—30 мкм) позволяет по-
лучать изоляцию с малой толщиной диэлектрика между об-
кладками dc (20—150 мкм), обладающую весьма высокой элек-
трической прочностью и большой напряженностью ч. р. Еч. р,
которая в соответствии с (1-64) увеличивается пропорцио-
нально 1/]Л/с.
Свечение, сопровождающее ч. р., появляется на краю элек-
трода в виде отдельных точек. С ростом напряжения количе-
ство точек растет, захватывая весь периметр электрода.
Учитывая, что с ростом напряжения число областей, где
происходят ч. р., увеличивается, получим, в соответствии
с (1-54) и (1-56) , зависимости тока 7Н и мощности Рн началь-
ных ч. р. от напряжения:
^н = 7иПнО (“Г") —fnoly—) 1 (4-6)'
\ Uh / \ Uh J
Рн~ IHU — Р^ =Рно HP , (4-7}
\ Uh / \ Uн 1
где «но, 7Но и Рно — значения соответствующих характеристик
при напряжении С7Н, а величина Uw — напряжение начальных
ч. р., ниже которого вероятность возникновения начальных ч. р.
4*
99
Рис. 4-2. Зависимость /ч.р
и Пч.р от напряжения, бу-
мажно-масляная изоляция,
de =80 мкм
достаточно мала (не превышает 3-10_5). Полученные выраже-
ния хорошо подтверждаются опытным путем.
Экспериментально было установлено для бумажно-масля-
ной изоляции:
^н = 7н«ч.Р = Л1{/а1; (4-8)
^н = 7нНч.р^ = /н^ = Лаг/° = Лз£а, (4-9)
где a = ai + l колеблется от 5 до 8 и
в среднем может быть принято рав-
ным 6.
Характерные зависимости величин
/н и пч. р от U приведены на рис. 4-2.
Характер зависимости интенсивно-
сти ч.р. от напряженности электриче-
ского поля Е не меняется при изме-
нении толщины диэлектрика и темпе-
ратуры.
Рассмотрим особенности развития
ч.р. в изоляции, пропитанной нефтя-
ным маслом. При наличии ч.р. в изо-
ляции возникает разложение жидкого
диэлектрика с образованием газооб-
разных продуктов. Одновременно про-
исходит непрерывное поглощение об-
разующихся газов как за счет раство-
рения газа в жидком диэлектрике, так
и за счет химического связывания
газа (в основном водорода). Послед-
нее наиболее сильно сказывается
в жидкостях, в составе которых име-
ются непредельные углеводороды.
Когда интенсивность газовыделения
(газовыделение в единицу времени) превосходит интенсивность
поглощения газов, возникают условия для образования газовых
пузырьков. Вследствие пробоев пузырьков происходит резкое
возрастание интенсивности ч. р. на 2—3 порядка (возникают
критические ч. р.), что приводит к дальнейшему росту этих
пузырьков и существенному понижению напряжения возникнове-
ния ч.р.
Растворимость газа в жидком диэлектрике равна
Cr=Vr/Vx, (4-10)
где Сг — растворимость газа в жидком диэлектрике; Vr —
объем газа, приведенный к нормальным условиям; — объем
жидкого диэлектрика.
Предельная растворимость различных газов в одном из
широко применяемых жидких диэлектриков — минеральном
масле — приведена в табл. 4-1.
100
Таблица 4-1
Предельная растворимость газа в минеральном масле
(насыщенный раствор при 20°С и 9,8-104 Па), % по объему
Газ Содержание газа в масле Газ Содержание газа в масле
Воздух Азот (как часть воз- духа) Кислород (как часть воздуха) Азот (N2) Кислород (О2) .... Водород (Н2) Аргон (Аг) 10,3 6,98 3,03 8,6 15,9 7 15 Окись углерода (СО) Метан (CHJ Углекислый газ (СО2) Этан (С2Н8) Этилен (С2Н4) .... Ацетилен "(С2Н2) . . . Пропилен (С3Н8) . . . Пропан (С3Н8) .... 9 30 120 280 280 400 1200 1900
Растворимость газов в масле пропорциональна внешнему
давлению и в диапазоне температур от 20 до 100° С является
линейной функцией температуры. Так, например, растворимость
воздуха возрастает на 0,12% по объему на каждые 10° С по-
вышения температуры. На растворимость влияет вязкость
масла: для масла с низкой вязкостью она больше, а для масла
с высокой вязкостью — меньше.
Количество газа, растворенного в единицу времени, может
быть определено из соотношения:
hx-.= *!h- = ^H0-Hx), (4-11)
ат
где Яо— максимальное количество газов, которое может быть
поглощено данным объемом жидкого диэлектрика:
Яо = СгКж, (4-12)
Нх —количество газов, уже поглощенных к моменту времени
т; р — коэффициент, характеризующий скорость газопоглоще-
ния. Например, для воздуха в минеральном масле Но =
= 0,1Ужр/10\ где р — давление воздуха окружающей среды, Па.
Количество газов, выделяемое в секунду в процессе разви-
тия ч. р., пропорционально мощности ч. р.
h4. р = ВГРЧ. р = Вг 1F4. рпч. р, (4-13)
где Вт — удельное количество газов, выделяющихся при разло-
жении жидкого диэлектрика ч. р. с энергией 1 Дж.
Критические ч. р. возникают при условии
h4. p>hx. (4-14)
101
В области критических ч. р. количество поглощенных газов
определяется только растворяющей способностью жидкого ди-
электрика:
Нх = \hxdr—H0(\ — е~₽т), (4-15)
о
и
hx=^Hoe~',x. (4-16)
При этом в режиме критических ч. р. снижение напряжения
ч. р. до минимального значения происходит за время, исчис-
Рис. 4-3. Зависимость времени снижения напряжения крити-
ческих ч. р. до минимального значения от величины прило-
женного напряжения при UKp = 2UH
I — область начальных ч. р., II — область критических ч. р.
ляемое долями секунд или секундами (рис. 4-3). При таких
временах е-рт ~ 1 и
hx ~ $HQ. (4-17)
При этом условие (4-14) возникновения критических ч. р.
имеет вид:
/гч.р>₽#о- (4-18)
В области начальных ч. р. все выделяющиеся при ч. р. газы
поглощаются маслом, т. е.
Hx = h4.pr и /гт = Р(/70—рт). (4-19)
Из последнего выражения следует, что в режиме начальных
ч. р. в герметичном объеме имеет место непрерывное уменьше-
ние hx. Поэтому должен наступить момент, когда будет выпол-
нено условие (4-14) и режим начальных ч. р. перейдет в режим
критических ч. р. Время, необходимое для такого перехода,
находится из совместного решения (4-14) и (4-19): /гч. р =
= ₽ (но~К* рт)> откуда
т —Йч-Р
Р^ч. р
102
Характерная зависимость времени снижения напряжения
ч. р. до минимального значения от величины приложенного на-
пряжения, вычисленная по (4-20) при t/Kp = 2t/H, приведена на
рис. 4-3.
Если после снижения напряжения критические ч. р. в про-
цессе дальнейшей работы не имеют места, или изоляция не на-
ходится под напряжением, то образовавшиеся газовые включе-
ния растворяются в жид-
ком диэлектрике и на-
пряжение ч. р. может
увеличиваться.
Такие закономерности
протекания ч. р. отно-
сятся к бумажно-масля-
ной изоляции. При про-
питке бумажного конден-
саторного диэлектрика
хлордифенилами харак-
тер развития и протека-
ния процессов имеет не-
которые специфические
особенности [42]. Хлорди-
фенилы при разложении
под воздействием ч. р.
не выделяют такого ко-
личества газов, как это
имеет место при пропит-
ке нефтяным маслом.
Характерные зависи-
мости газовыделения под
воздействием разрядов
в различных жидких ди-
Рис. 4-4. Газостойкость различных жидких
диэлектриков при испытании в среде водо-
рода при 40° С (по данным ВТИ)
1 ~ нефтяное конденсаторное масло низкоарома-
тизированиое по ГОСТ 5775—51; 2 — газостойкое
конденсаторное масло по ГОСТ 5775—68; 3 —
нефтяное конденсаторное масло высокоароматн-
зироваиное для северных районов; 4 — нефтяное
конденсаторное масло высокоароматизироваиное
для умеренного климата; 5 — трихлордифеиил
электриках приведены на
рис. 4-4. Существенно
меньшее, как это следует из рис. 4-4, газовыделение для хлор-
дифенилов связано с тем, что эти жидкие диэлектрики являются
ароматическими углеводородными соединениями, в основе кото-
рых лежит бензольное кольцо. Эти углеводородные соединения
способны гидрироваться, вступать во взаимодействие с актив-
ными радикалами, поглощать таким образом водород и другие
летучие продукты, что приводит к существенному газопоглоще-
нию жидкости и препятствует выделению газа.
Благодаря существенно меньшему газовыделению или даже
его отсутствию напряжение возникновения ч. р. изменяется сла-
бее или вообще не изменяется.
Однако под действием ч. р. у хлордифенилов происходят
другие изменения: выделяются углерод в виде сажи и хлори-
103
стый водород, что способствует разрушению твердого диэлек-
трика. В целом, однако, рост интенсивности ч. р. и разрушение
твердой фазы конденсаторного диэлектрика с хлорированной
пропиткой происходит значительно медленнее, чем диэлек-
трика с пропиткой нефтяным маслом. Если бумажно-хлордифе-
ниловый диэлектрик довести до возникновения в нем критиче-
ских ч. р. и оставить при этом напряжении, то через некоторое
время ч. р. прекратятся.
Причина этого заключа-
ется в том, что выделяю-
щийся при разложении
хлордифенилов углерод
шунтирует очаг ч. р. и га-
сит разряды, чему благо-
приятствует также малое
газовыделение при разло-
жении хлордифенилов и их
большая газопоглощающая
способность. Для того что-
бы вновь вызвать появле-
ние критических ч. р., нуж-
но повысить напряжение
против прежнего уровня.
При этом процесс опят»
пойдет так, как описано
выше.
Затухание ч. р. особен-
но заметно при вязкости
жидкостей ниже 5-103 сСт.
На рис. 4-5 [42] приведена
интенсивность ч. р. в кон-
денсаторах, пропитанных
различными жидкостями, в
зависимости от напряжен-
ности электрического поля
Рис. 4-5. Зависимость интенсивности
критических ч. р. от напряженности
электрического поля при подъеме и
снижении напряжения: а — бумажные
конденсаторы с пропиткой трихлорди-
фенилом; б — бумажные конденсаторы
с пропиткой МГТ-45 (С8НбС14+С6Н3С1з)
1 — /=80° С; 2 — t=50° С, 3 — /=20° С; 4 —
f=0° С; 5 — t=—20° С; 6 — бумажные конден-
саторы с пропиткой нефтяным маслом
при разных температурах.
Как видно из этих рисунков, с повышением температуры (сни-
жением вязкости жидкости) затухание ч. р. происходит при
меньшем снижении напряженности, т. е. быстрее. При кинема-
тической вязкости хлорированных жидкостей ниже 5-Ю3 сСт
неоднократные быстро следующие друг за другом повышения
напряжения до значения возникновения ч. р. не приводят к сни-
жению напряженности ч. р. Опыты показали, что конденсаторы,
пропитанные трихлордифенилом, работают без выхода из строя
более 103 ч при напряженности критических ч. р., тогда как
конденсаторы с пропиткой нефтяным маслом в таком режиме
работают 1—6 ч.
104
4-2. ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕННОСТИ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
ОТ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИКА
Для изоляции, находящейся в сильно неоднородном поле,
толщина диэлектрика секции dc определяет напряжение U4. р
и среднюю напряженность Еч. P=U4. v/dc начала развития ч. р.,
которые характеризуются электрической прочностью изоляции
в области острого края электрода.
В соответствии с (1-61) — (1-63) средняя напряженность
возникновения ч. р. определяется формулой (1-64). Эта фор-
мула хорошо подтверждается
экспериментально. На рис. 4-6
приведены зависимости на-
пряженностей критических и
начальных ч. р. от толщины
для различных видов ди-
электрика. Эти зависимости
могут быть представлены эм-
пирическими формулами,
в которых показатель степени
при d0 близок к 0,5. За-
висимости напряженности на-
чальных ч. р. на уровне
3-10-15— 10~14 Кл от тол-
щины диэлектрика практи-
чески совпадают и для сред-
них значений равны [42]:
ЕН = ЗМ~0'5, (4-21)
Рис. 4-6. Зависимости напряженно-
сти критических (1—4) и начальных
(5) ч. р. от толщины диэлектрика
1 и S—бумага KOH-I, пропитанная кон-
денсаторным маслом; 2 — бумага КОН-1,
пропитанная трихлордифенилом; 3 — поли-
пропиленово-бумажная изоляция, пропит-
ка трихлордифеиилом; 4 — полипропиле-
новая пленка, пропитка трихлордифени-
лом
где dc — толщина изоляции секции, мм (0,03dc^I,0 мм);
£н — в кВ/мм. Коэффициент вариации <тн/Дн равен приблизи-
тельно 10%.
Зависимости напряженности критических ч. р. от толщины
диэлектрика для бумаги КОН-I, пропитанной конденсаторным
маслом или трихлордифенилом, имеют вид:
£кр = 9.5dr0,58, (4-22)
где dc — толщина изоляции, мм; £Кр — средняя напряженность
электрического поля, кВ/мм.
Разброс напряженности критических ч. р. для отдельных об-
разцов характеризуется коэффициентом вариации Окп/Енг^
= 74-10%.
Напряженности критических ч. р. для полипропиленово-бу-
мажной (50% пленки) изоляции, пропитанной хлордифенилом,
на 20% выше, а для полипропиленовой изоляции с пропиткой
трихлордифенилом на 35% выше, чем для бумажной изоляции.
Это главным образом объясняется уменьшением диэлектриче-
105
ской проницаемости твердого диэлектрика, так как в соответ-
ствии с (1-79) и (1-80) напряженность ч. р. должна изменяться
пропорционально 1/у/ ех.
При неизменной толщине диэлектрика изменение количе-
ства слоев (например, увеличение количества листов бумаги
с соответствующим уменьшением толщины одного листа) не
приводит к заметному изменению напряжения ч. р.
Несколько иные зависимости от толщины имеют место для
конденсаторной изоляции с газовыми включениями.. Такие
включения могут образоваться в результате неправильного тех-
нологического процесса изготовления изоляции, неправиль-
ной эксплуатации, а также в результате воздействия перена-
пряжений и развития ч. р. (например, при кратковременном
существовании критических ч. р.). Для изоляции с газовыми
включениями в области резко неоднородного поля зависимости
напряженности ч. р. от толщины диэлектрика также опреде-
ляются процессами на краю электродов и соответствуют (1-64).
Для изоляции с газовыми включениями в области однородного
поля эти соотношения выражаются формулой (1-86).
4-3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Зависимость характеристик ч. р. от частоты
приложенного напряжения. Повышение частоты при-
ложенного напряжения не меняет характера зависимости тока
ч. р. 7Ч. р от напряженности электрического поля, однако при-
водит к увеличению интенсивности ч. р., что можно объяснить
увеличением числа полупериодов, а следовательно, и числа
пч. р разрядов в секунду (см. рис. 1-7). Однако увеличение пч. р
и Рч. р с ростом частоты происходит не прямо пропорционально
частоте, как это следует из формул (1-34), (1-37) и (1-38),
а несколько слабее (рис. 4-7). На основании эксперименталь-
ных данных была установлена следующая зависимость [39]:
Рч.р = Л/’62. (4-23)
Рассмотрим зависимость напряжения начальных и критиче-
ских ч. р. от частоты. В диапазоне до 106 Гц электрическая
прочность газовых включений практически не зависит от ча-
стоты. Кроме того, распределение переменного напряжения по
толщине изоляции и на краю электрода (при ps> 1011 Ом) оп-
ределяется соответствующими значениями диэлектрической
проницаемости, которые для частоты до 105 Гц в большинстве
случаев слабо зависят от частоты. Поэтому в области частот до
105 Гц напряженность начальных ч. р. в изоляции с газовыми
включениями практически не зависит от частоты.
Если начальные ч. р. в изоляции возникают в результате
пробоя масляных пленок, то в этом случае при частотах более
106
Рис. 4-7. Зависимость мощности ч. р.
от частоты приложенного напряже-
ния, г/с=30 мкм
1— £==40 кВ/мм; 2 —£=50 кВ/мм
105 Гц необходимо учитывать изменение электрической прочно-
сти масла с изменением частоты. Например, при повышении ча-
стоты от 50 до 103 Гц прочность конденсаторного масла увели-
чивается примерно на 30%. При дальнейшем повышении ча-
стоты до 106 Гц пробивная напряженность падает на 20—30%.
Указанное обстоятельство приводит к соответствующему изме-
нению напряженности начальных ч. р.
Напряженность критических ч. р. существенно зависит от
частоты приложенного напряжения. Если возникновение крити-
ческих ч. р. определяется
условием (4-14), что име-
ет место для изоляции, про-
питанной нефтяным мас-
лом, то при различных ча-
стотах это условие имеет
вид
hf = h5o, (4-24)
где /г5о и hf— интенсив-
ность газовыделения в еди-
ницу времени при напря-
жении частотой 50 Гц и f,
поскольку интенсивность
газопоглощения от частоты
приложенного напряжения
не зависит.
Тогда, используя выра-
жения (1-39) и (4-13) для
начальных ч. р. (Йч. p=t7H), получим:
hf = Рч. РВГ = 4/ВгСд{/в. 3 (Um-U„). (4-25)
Условие (4-24) для критических ч. р- можно представить
следующим образом:
^кР/-^н=у-(^кр-^н), (4-26)
где UKPf — напряжение критических ч. р. при частоте /; t7Kp—
напряжение критических ч. р. при частоте 50 Гц.
Из формулы (4-26) находим:
= + (4-27)
Таким образом, при достаточно больших частотах напряже-
ние критических ч. р. стремится к значению начальных ч. р.
Расчетная зависимость, вычисленная по (4-27) для изоля-
ции толщиной 80 мкм из конденсаторной бумаги, пропитанной
нефтяным маслом, совпадающая с аналогичной опытной зави-
симостью, приведена на рис. 4-8. Как следует из этого рисунка,
107
при f> 1 кГц напряжение критических ч. р. практически не от-
личается от напряжения начальных ч. р.
Для изоляции с пропиткой хлордифенилами зависимость на-
пряжения критических ч. р. от частоты заметно слабеет вслед-
ствие большей стойкости
Рис. 4-8. Зависимость напряжения критиче-
ских частичных разрядов от частоты при-
ложенного напряжения для бумажной изо-
ляции
/ — пропитка конденсаторным маслом; 2 — про-
питка трихлордифеиилом
этих жидкостей к разло-
жению (газовыделению)
в электрическом поле
(рис. 4-8).
Зависимость ха-
рактеристик ч. р.
от избыточного
давления пропиты-
вающего состава.
Повышение избыточного
давления пропитываю-
щего состава приводит
к значительному увели-
чению напряжения ч. р.
Такое влияние избыточного давления сказывается при ч. р., яв-
ляющихся результатом как пробоев прослоек жидкого диэлек-
трика, так и пробоев газовых включений. В первом случае
с ростом избыточного давле-
ния увеличивается электриче-
ская прочность жидкости,
а во втором — увеличивается
прочность газового включения.
Пробои газовых включений
возможны, когда размеры их
достаточно велики и дости-
гают десятков микрометров.
Для включений таких размеров
разрядные напряжения лежат
в правой части кривой Па-
шена, и с повышением избы-
Рис. 4-9. Зависимость напряженно-
сти критических ч. р. от избыточного
давления масла
точного давления пробивное
напряжение возрастает.
На рис. 4-9 приведена за-
висимость £Кр от избыточного
давления масла. Анализ кри-
вой рис. 4-9 показывает, что напряженность критических ч. р.
с ростом давления увеличивается приблизительно во столько же
раз, во сколько увеличивается прочность нефтяного масла.
Зависимость напряженности критических ч. р. от давления
рж в диапазоне значений (14-7)-105 Па для конденсаторной
изоляции из бумаги КОН-1 может быть представлена в виде
£кр = 40(1 + 1,1 Ю-врж). (4-28)
где Екр — в кВ/мм, рж — в Па.
108
OnbiT показывает, что повышение избыточного давления
сверх определенного значения нерационально, так как приво-
дит к небольшому повышению электрической прочности изоля-
ции, что ограничивает допустимые напряженности, при этом
выбираемые уже с точки зрения кратковременной прочности
и воздействующих перенапряжений. Так, для конденсаторной
изоляции с толщиной диэлектрика 60—100 мкм повышение дав-
ления рационально до (6—8)-105 Па. Обычно конденсаторы
с избыточным давлением масла изготовляются при (3—4) X
Х105 Па. Уменьшение давления ниже атмосферного может
привести к снижению напряжения ч. р. Такое явление может
Рис. 4-10. Зависимость напряженности критических ч. р.
от температуры для бумажной изоляции, пропитанной
различными жидкими диэлектриками
1 — нефтяное конденсаторное масло; 2— пеитахлордифенил;
3— трихлордифенил; 4 — КЖ 1-35; 5 — КЖ 2-45; 6 — пиранол
1477; 7 — КЖ 2-50
произойти вследствие синижения давления в герметизирован-
ном конденсаторе при уменьшении температуры.
Зависимость напряженности ч. р. от темпе-
ратуры. Напряженность ч. р. в диэлектрике конденсатора
может зависеть от температуры, причем температурное изме-
нение ее различно для пропитки нефтяным маслом и поляр-
ными жидкостями.
Для бумажно-масляной изоляции отсутствует заметная за-
висимость характеристик ч. р. при изменении температуры от
—40 до +80° С. Имеет место весьма слабая тенденция к увели-
чению напряженности ч. р. с ростом температуры (рис. 4-10).
Более сложная зависимость напряженности критических
ч. р. имеет место для бумажной или пленочно-бумажной изоля-
ции с пропиткой полярными жидкостями.
На рис. 4-10 приведены зависимости напряженности крити-
ческих ч. р. от температуры для бумажной изоляции, пропи-
танной различными полярными жидкими диэлектриками {42].
Эти кривые имеют минимум Екр в зависимости от температуры,
причем, чем ниже температура застывания жидкости, тем ниже
температура, соответствующая минимуму £кр, который распо-
109
лагается на 15—20° С выше температуры застывания жидкости
при вязкости порядка 5-Ю3 сСт. Наличие минимума в зависи-
мости ЕКр от температуры объясняется аналогичным миниму-
мом в зависимости пробивной напряженности пропитывающих
жидкостей от температуры (рис. 4-11).
Рис. 4-11. Зависимость электрической прочности пропи-
тывающих жидкостей от температуры
/ — пентахлордифенил; 2 — трихлордифенил; 3 — КЖ 2-45
Несколько более слабый минимум в зависимости от
температуры наблюдается в конденсаторах с пленочно-бумаж-
ным диэлектриком на основе полипропиленовой пленки с про-
Рис. 4-12. Зависимость напряженно-
сти критических ч. р. от температуры
для пленочно-бумажного диэлектри-
ка; полипропиленовая пленка, про-
питка трихлордифенилом
питкой трихлордифенилом
(рис. 4-12) [47].
Зависимость напря-
жения критических ч. р.
от формы кривой воз-
действующего напря-
жения. Как следует из вы-
ражений (1-35) и (1-36), при
синусоидальном напряжении
число ч. р. за полупериод оп-
ределяется амплитудой прило-
женного напряжения и напря-
жениями зажигания и погаса-
ния ч. р.
Так как после прохожде-
ния напряжения через макси-
мум ч. р. возникают вновь после изменения напряжения на£71 =
= Ua + Un', то дополнительные ч. р. за период возможны, если
в кривой воздействующего напряжения имеются провалы глуби-
ной более U\. Если в кривой провалов нет или они имеют мень-
шую глубину, то число ч. р. за полупериод, а следовательно,
и напряжение критических ч. р. не зависят от формы этой
кривой.
Напряжение начальных ч. р. зависит лишь от амплитуды и
в любом случае от формы напряжения не зависит.
ПО
Рис. 4-13. Зависимость напряженностей
критических ч. р. (1) бумажно-масляиых
конденсаторов и содержания воздуха (2)
в масле от остаточного давления при
пропитке изоляции
Рис. 4-14. Зависимость напряженно-
стей начальных (1) и критических (2)
ч. р. от влагосодержания бумаги,
пропитанной конденсаторным маслом
(сплошные линии) и трихлордифени-
лом (штриховые линии)
Зависимость характеристик ч. р. от техноло-
гии изготовления. Характеристики ч. р. имеют существен-
ную зависимость от технологии изготовления и прежде всего от
режима термовакуумной об-
работки изоляции.
Поскольку при измене-
нии режимов термовакуум-
ной обработки обычно ме-
няются одновременно и ос-
таточное газосодержание и
остаточная влажность, то
представляет интерес про-
следить влияние каждого из
этих факторов в отдельности
на характеристики ч. р. на
основании результатов спе-
циально поставленных опы-
тов. На рис. 4-13 приведены
зависимости напряженно-
стей критических ч. р. от ос-
таточного давления при пропитке бумажной изоляции конден-
саторным маслом при влажности бумаги менее 0,1 % [42]. Как
видно из рис. 4-13, в области давлений до 10 Па для сухой изо-
ляции наблюдается очень сла-
бая зависимость ЕКр от оста-
точного давления при пропит-
ке. Пропитка при остаточном
давлении выше 10 Па приво-
дит к существенному сниже-
нию напряжения критических
ч. р., при остаточном давлении
более 104 Па в изоляции после
термовакуумной обработки ос-
таются газовые включения.
Следует, однако, считать недо-
пустимым большое количество
растворенного воздуха в жид-
ком диэлектрике, так как из-
менения температуры могут
привести к возникновению га-
зовых включений и резкому
снижению напряжения ч. р.
На рис. 4-14 приведены за-
висимости Ен и ЕКр от влаго-
содержания при пропитке бумажной изоляции конденсаторным
маслом и трихлордифенилом [42]. Как показывают приведенные
данные, при влажности бумаги от 0,5 до 7% по массе наблю-
дается сильное снижение напряженности критических ч. р.
111
с ростом влажности. Более слабое снижение Екр наблюдается
при увеличении влажности от 10-3 до 0,5%.
Для бумажно-масляной изоляции не наблюдается заметной
зависимости Ен от влажности бумаги. Для бумажно-трихлор-
дифениловой изоляции отмечается заметное уменьшение Ен
с увеличением влажности. Одновременно с ростом влажности
происходит увеличение мощности ч. р. Изменение влажности
с 10 ,! до 2% по массе приводит к увеличению мощности ч. р.
в 20 раз.
Приведенные данные показывают, что для получения высо-
ких характеристик ч. р. влажность изоляции силовых конденса-
торов необходимо доводить ниже 10~’ % по массе — для бумаж-
но-масляной изоляции и ниже 10-3 %—для бумажно-трихлор-
дифениловой. Для этого необходимо обеспечить в конце термо-
вакуумной обработки остаточное давление порядка 0,1 Па.
Применение высокого вакуума требуется также по условиям
обеспечения низкого tg 6 изоляции, и кроме того, позволяет су-
щественно снизить остаточное газосодержание изоляции (до
10~4% по объему).
Влияние плотности бумаги на характеристики
ч. р. Изменение плотности бумаги вызывает изменение характе-
ристик ч. р. Увеличение плотности бумаги, с одной стороны,
приводит к увеличению электрической прочности листов бумаги,
во-первых, вследствие увеличения содержания клетчатки, кото-
рое пропорционально отношению плотности бумаги уб к плот-
ности клетчатки ук; во-вторых, в результате сокращения разме-
ров элементарных каналов в бумаге, заполненных пропитываю-
щей жидкостью. С другой стороны, увеличение плотности бумаги
при диэлектрической проницаемости жидкости еж, меньшей ди-
электрической проницаемости клетчатки еп, приводит к росту
диэлектрической проницаемости листа бумаги еп, согласно соот-
ношению:
еб =-----, (4-29)
ека + еж(1 —а)
где а — относительный объем, занимаемый порами:
а=1— уб/ук. (4-30)
Возрастание диэлектрической проницаемости бумаги сопро-
вождается по (4-4) увеличением напряженности в прослойках
жидкого диэлектрика и приводит к снижению напряженности
ч. р. Вследствие этого влияние плотности бумаги по-разному
сказывается на кратковременной и длительной прочности кон-
денсаторной изоляции.
Для кратковременной прочности преобладает влияние пер-
вого фактора, способствующего ее увеличению с ростом плот-
ности бумаги. Применительно к длительной прочности, для
которой ч.р. в прослойках жидкого диэлектрика играют опре-
деляющую роль, увеличение плотности бумаги приводит к сни-
112
жению напряжения (напряженности) ч. р. и сокращению срока
службы изоляции.
Влияние времени между изготовлением и ис-
пытанием. В бумажных конденсаторах напряжение ч. р.
возрастает в процессе хранения в течение первых 1—2 недель,
особенно если конденсаторы были изготовлены при недостаточно
высоком вакууме. Это может быть объяснено растворением
остаточного воздуха в пропитывающем составе.
Для пленочных конденсаторов наибольшее значение напря-
жения ч. р. достигается при хранении в течение 5 суток [61].
Для конденсаторов из полипропиленовой пленки, пропитанной
трихлордифенилом, необходимо хранение в течение 7—24 суток
для достижения высоких значений напряжения ч. р.
4-4. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ
ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРОВ
И ЗАВИСИМОСТЬ СРОКА СЛУЖБЫ
ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Основной причиной электрического старения изоляции кон-
денсаторов при длительном приложении рабочего напряжения
являются ч. р. в изоляции.
Существование ч р. при относительно низких напряженно-
стях, близких к рабочим, вызывает прежде всего разложение
пропитывающего состава. Продукты разложения могут агрес-
сивно взаимодействовать с клетчаткой, приводя к потере элек-
трической прочности изоляции. Разрушение пропитывающего
состава сказывается также на возрастании его проводимости,
что проявляется в изменении зависимости tg 6 от напряжения
в области малых напряжений и повышения его значений, что
создает опасность развития теплового пробоя. Осциллографи-
рование тока потерь в такой изоляции показывает, что в этом
случае появляется характерный пик в токе потерь (рис. 4-15).
Такое старение является, в основном, следствием изменения
электрических характеристик практически всего объема жидкого
диэлектрика и завершается либо электрическим, либо тепло-
вым пробоем изоляции.
В конденсаторах, пропитанных нефтяным маслом и некото-
рыми хлордифенилами (например, пентахлордифенилом), элек-
трическое старение заключается прежде всего в разложении
пропитывающего состава под воздействием ч. р., сопровождаю-
щемся газовыделением и воскообразованием. В образовавшихся
газовых включениях возникают ч. р. значительно большей ин-
тенсивности (критические ч. р.), приводящие к дальнейшему
росту включений, снижению напряжения критических ч. р., раз-
рушению клетчатки и пробою изоляции.
Повышение газостойкости нефтяного масла приводит к за-
метному увеличению стойкости изоляции к воздействию ч. р.
и увеличению сроков службы изоляции. Это может быть
113
Рис. 4-15. Осциллограммы
тока потерь в секциях бу-
мажно-масляных конденса-
торов, бывших различное
время в эксплуатации при
£=15,5 кВ/мм: а — новый
конденсатор; б — после
1 года эксплуатации; в—
после 5 лет эксплуатации
проиллюстрировано результатами испытаний конденсаторов на-
пряжением 50 Гц при £ = 0,6£кР продолжительностью до 200 ч.
Примерно через 118 ч испытания у конденсаторов, пропитанных
стандартным маслом, наблюдается резкое снижение напряжен-
ности критических ч. р. и повышение давления внутри кон-
денсатора вследствие выделения газов, после чего через не-
продолжительное время конденсато-
ры пробиваются. У конденсаторов,
пропитанных ароматизированным
маслом, в течение 200 ч испытания не
наблюдалось снижения напряжен-
ности критических ч. р. и повышения
давления внутри корпуса. Результа-
ты испытания промышленных конден-
саторов также показали что при про-
питке газостойким ароматизирован-
ным маслом увеличивается срок их
службы.
В бумажных конденсаторах, пропи-
танных хлордифенилами, разрушение
пропитывающего состава под воздей-
ствием ч. р. приводит к образованию
хлористого водорода, а также углеро-
да в виде сажи. Появление НС1 вызы-
вает разрушение твердого диэлектри-
ка (бумаги, пленки). Влияние продук-
тов разложения на характеристики
изоляции с пропиткой хлордифенила-
ми проявляется прежде всего в по-
вышении tg 6 и проводимости изоля-
ции, что может привести к нарушению
тепловой устойчивости конденсатора в
процессе эксплуатации. Необходимо
при этом отметить, что возникновение
теплового пробоя, в этом случае явля-
ется следствием изменения характери-
стик изоляции в процессе эксплуата-
ции под воздействием ч. р.
Между tg 6 и концентрацией хло-
ристого водорода и углерода в изо-
ляции существует определенная связь. Концентрация продук-
тов разложения в свою очередь зависит от энергии ч. р.,
расходуемой в изоляции. Поэтому значение tg 6 зависит
от энергии ч. р., выделявшейся в изоляции за определенное
время [42].
В бумажной изоляции, пропитанной как нефтяными маслами,
так и хлордифенилами возможно выделение газа под воздей-
ствием ч. р. вследствие разложения оставшейся в бумаге влаги.
114
i
I
Это особенно сильно проявляется в изоляции, подвергнутой
недостаточно хорошей термовакуумной обработке, и сущест-
венно уменьшается с улучшением процесса сушки и пропитки.
Интенсивность старения зависит от наличия твердых прово-
дящих включений, увеличивающих локальные значения напря-
женности электрического поля. Твердые проводящие частицы
разных размеров как фиксированные, содержащиеся в конден-
саторной бумаге, так и подвижные, могут попадать в секцию
конденсатора во время намотки или находиться во взвешенном
состоянии в пропитывающей жидкости. В диэлектрике вслед-
ствие местного различия в толщине возникают полости, в кото-
рых частицы примесей могут приводить к образованию мости-
ков, искажающих поле. Кроме того, при подходе к электроду
между частицей и электродом возникает разряд, приводящий
к разложению жидкого диэлектрика и газообразованию. По-
этому при наличии твердых частиц срок службы конденсаторов
сокращается.
В эксплуатации в результате процессов старения электри-
ческая прочность изоляции снижается. Так как скорость проте-
кания химических реакций, происходящих в результате разви-
тия ч. р., возрастает с ростом температуры диэлектрика, то
пробивное напряжение конденсатора зависит от времени вы-
держки конденсатора под напряжением (срока службы) и тем-
пературы диэлектрика.
Температура диэлектрика зависит как от напряженности
электрического поля (что определяет тепловыделение в единице
•объема), так и от конструкции конденсатора и условий его
эксплуатации (условия охлаждения, температура окружающей
•среды и пр.).
Для конденсаторной изоляции зависимость пробивного на-
пряжения Дпр от времени выдержки т в определенном интер-
вале времени хорошо выражается формулой, аналогичной
(3-3):
{7пр = Ат~1а, (4-31)
где показатель степени 1/а зависит от рода воздействующего
напряжения, значения напряженности, толщины диэлектрика,
вида изоляции, технологии изготовления. Напряженность элек-
трического поля определяет характер старения изоляции (об-
ласть развития критических или начальных ч. р.).
Характерные зависимости срока службы от напряженности
электрического поля при переменном напряжении 50 Гц и по-
стоянном напряжении для бумажно-масляной конденсаторной
изоляции приведены на рис. 4-16. Эти зависимости хорошо ото-
бражаются формулой (4-31), в которой для переменного на-
пряжения а = 5ч-8 и для постоянного а = 84-14.
Так, например, по данным [55], для конденсаторов, пропитан-
ных хлордифенилом, зависимость срока службы от напряже-
115
ния U и температуры конденсатора О может быть представлена
в виде
д
Тсл = (СП)7’7 ’ (4'32)
Срок службы Тсл в зависимости от температуры й и напря-
женности Е может быть представлен также в виде
тсл = тсл0е-аа(Е0/£)аЛ) (4-33)
где Тело — срок службы при напряженности Eq, А — константа.
Уменьшение плотности бумаги приводит к уменьшению крат-
ковременной электрической прочности изоляции, но влечет за
Рис. 4-17. Влияние плотности у
конденсаторной бумаги на сред-
ний срок службы бумажно-масля-
ных секций; dc = 6xl2 мкм, £ =
= 50 кВ/мм
Рис. 4-16. Зависимость пробивного
напряжения конденсаторной изоля-
ции от времени выдержки при пере-
менном напряжении 50 Гц (1) и при
постоянном напряжении (2), dc =
= 80 мкм
собой увеличение напряжения возникновения ч. р., что объяс-
няется уменьшением напряженности в прослойках жидкого
диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость меньше
диэлектрической проницаемости клетчатки. Следствием этого
является увеличение срока службы конденсаторов с изоляцией
из бумаги с пониженной плотностью. На рис. 4-17 представлена
зависимость среднего срока службы бумажно-масляных секций
от плотности бумаги, иллюстрирующая это положение [9].
Уменьшение толщины диэлектрика секции приводит к уве-
личению напряженности ч. р. и замедлению процессов старения
при заданных напряженностях. Это проявляется в увеличении
показателя а с уменьшением толщины диэлектрика (рис. 4-18).
В [10] предложена формула, связывающая срок службы кон-
денсаторов Тел с напряженностью электрического поля Е,
кВ/мм, температурой О, °C, частотой приложенного напряжения
f, Гц, толщиной диэлектрика dc, мкм, плотностью бумаги ул,
г/см3, удельным газовыделением нефтяного масла Вг, см3/Дж,
116
исходным газосодержанием пропитывающего состава К (% по
объему):
сл Eafld?BPyk6Kn
где С — постоянная, зависящая от условий испытания; 7 = 0,8;
£ = 5-4-6; /2 = 0,7; а= 11,6—0,0856dc; т=\0—ОДЕ; для бумажно-
трихлордифениловой изоляции g=6,ll; 6 = 0,0357 К-1, для бу-
мажно-масляной изоляции g=10; 6 = 0,11 К-1.
Процессы старения при напряженностях, близких к рабочим
(кроме процессов окисления), определяются начальными ч. р.
Как было показано в § 3-5, можно предположить, что срок
Рис. 4-18. Влияние напряженности электрического поля
на средний срок службы секций с разной толщиной ди-
электрика между обкладками
/ — 7X12; 5 — 6X12; 3 — 5X12; 4 — 4X12; 5 — 3X12 мкм
службы изоляции обратно пропорционален Рч. Р в соответствии
с (3-5). При этом для изоляции, пропитанной нефтяным мас-
лом, можно считать, что срок службы определяется временем,
необходимым для образования газовых пузырьков, после появ-
ления которых напряжение ч. р. сильно снижается, появляются
критические ч. р., резко возрастает интенсивность ч. р. и про-
исходит быстрое разрушение изоляции. В этом случае срок
службы изоляции выражается формулой (4-20). Так как обычно
h4. Р«(Ш„ то
тсл ~ р- (4-35)1
Учитывая (4-12) и (4-13), имеем:
тсл = СГ1/Ж/(ВГРЧ. р). (4-36)
В этой формуле зависимость Рч. р от напряжения для пере-
менного напряжения выражается (4-9). Тогда
тСл = CrVJ(B.A2Ua) = AU-a, (4-37)
117
где для переменного напряжения промышленной частоты
.« = 5—7.
Формула (4-37) достаточно хорошо соответствует экспери-
ментально полученной зависимости (4-31).
В конденсаторах, пропитанных трихлордифенилом, срок
службы определяется предельным увеличением tg 6 изоляции за
счет разложения хлордифенилов ч. р. и взаимодействия продук-
тов разложения с твердым диэлектриком. Предельно допусти-
мые значения tg 6 конденсаторов при рабочих напряженно-
стях могут быть определены на основании теплового расчета
конденсатора. Поэтому для расчета срока службы конденсато-
ров с пропиткой хлордифенилами необходимо знать зависи-
мость tg 6 изоляции от энергии ч. р., выделяемой в конденсато-
рах. Эти зависимости могут быть экспериментально установ-
лены. Зная предельно допустимые значения tg 6 изоляции,
можно на основании этих зависимостей определить энергию
ч. р. Wo, затраченную на повышение tg 6 изоляции до значения,
соответствующего нарушению тепловой устойчивости конден-
•сатора.
При этом срок службы конденсатора
тСл = Г0/Рч.р. (4-38)
Учитывая зависимость мощности ч. р. Рч. р от напряжен-
ности электрического поля в соответствии с выражением (4-9),
можно получить зависимость срока службы от напряженности
электрического поля:
тсл =-- 1Г0/(А3Еа)= А £-а. (4-39)
4-5. ВЫБОР ДОПУСТИМЫХ
РАБОЧИХ НАПРЯЖЕННОСТЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Рабочая напряженность в изоляции силовых конденсаторов
должна выбираться с учетом длительно воздействующего ра-
бочего напряжения и кратковременных перенапряжений, воз-
действующих на конденсатор в процессе эксплуатации.
При выборе рабочей напряженности по длительно воздейст-
вующему рабочему напряжению необходимо обеспечить требуе-
мый срок службы, что определяется прежде всего допустимыми
характеристиками начальных ч. р., и отсутствием перегрева ди-
электрика за счет потерь, выделяющихся в конденсаторе.
При выборе рабочей напряженности по кратковременным
перенапряжениям необходимо обеспечить отсутствие пробоя
изоляции, что определяется кратковременной ее прочностью, и
отсутствие необратимых повреждений и ухудшений характери-
стик изоляции при воздействии перенапряжений, что опреде-
ляется характеристиками критических ч. р.
118
Особенности выбора рабочих напряженно-
стей для конденсаторов, работающих при на-
пряжении промышленной частоты. Для бумажно-
масляной изоляции допустимые рабочие напряженности опреде-
ляются допустимой мощностью ч. р., при которой за заданный
срок службы изоляции исключено возникновение сосредоточен-
ных газовых включений, т. е. выполняется условие (4-14).
Тогда для заданного срока службы тсл из (4-36) можно-
найти допустимую мощность ч. р.:
р сг Уж_ (4-40}
Р- ДОП ':- , V1 /
£>Г4СЛ
и учитывая (4-9) —допустимую напряженность электрического
поля
Подсчеты показывают, что для бумажно-масляной изоляции
конденсаторов с толщиной диэлектрика 80 мкм при среднем
сроке службы около 30 лет при напряжении промышленной ча-
стоты допустимая рабочая напряженность составляет 12—
14 кВ/мм.
При изменении толщины диэлектрика изоляции из конден-
саторной бумаги КОН-I с толщиной листа 10—12 мкм допу-
стимая рабочая напряженность может быть принята:
£раб = 3,3d? °’58, (4-42)
где dc — в мм.
Для изоляции с пропиткой хлордифенилами допустимые ра-
бочие напряженности могут определяться также допустимой
мощностью ч. р. Используя (4-39), имеем
£раб-(-^-У“. (4-43)
При этом в связи со значительно большей стойкостью хлор-
дифенилов к разложению в электрическом поле допустимые ра-
бочие напряженности могут быть существенно увеличены по
сравнению с изоляцией, пропитанной нефтяным маслом:
£раб = 4,ЗС°'58’ (4-44)
где Драб — в кВ/мм; dc — в мм.
Это соответствует Драб= 164-18 кВ/мм для изоляции толщи-
ной 50—80 мкм. Однако столь высокие рабочие напряженности
могут привести к перегреву конденсатора и выходу из теплового-
равновесия. Поэтому указанные рабочие напряженности можно-
применять только совместно с рядом мероприятий по уменьше-
нию tg 6 изоляции с (2—2,5) • 10~3, характерного для изоляции
с пропиткой нефтяным маслом, до (1,2—1,5) • 10-3. Это дости-
119*
тается за счет применения конденсаторной бумаги пониженной
плотности с малыми потерями, оксидной бумаги, специальных
эпоксидных соединений, добавляемых в пропитывающий со-
став, уменьшающих влияние загрязнений на возрастание tg б
и других мероприятий.
Для изоляции с применением неполярных синтетических пле-
нок (в основном полипропиленовых) рабочая напряженность
может быть еще увеличена.
Это позволяет уменьшить толщину диэлектрика секции, так
как пленочные диэлектрики обладают более высокой кратковре-
менной прочностью, особенно при малых толщинах изоляции
(20—30 мкм). Уменьшение толщины диэлектрика dc в соответ-
ствии с (1-64) приводит к увеличению напряженности ч.р. при-
близительно пропорционально l/]^dc, а следовательно, и
к увеличению допустимой рабочей напряженности.
Применение пленки приводит к перераспределению напря-
женности электрического поля между компонентами изоляции.
Напряженность Ei в i-й компоненте /г-компонентной изоляции
равна
= (4-45)
i
тде £'ср — средняя напряженность в изоляции между обклад-
ками; dj — толщина слоя изоляции с диэлектрической прони-
цаемостью ед
Как следует из формулы (4-45), наличие неполярной пленки
с диэлектрической проницаемостью еп, меньшей диэлектриче-
ской проницаемости пропитывающей жидкости еж, приводит
к уменьшению напряженности в пропитывающем составе и
увеличению напряженности в пленке. При этом наиболее пер-
спективным является применение неполярной полипропиленовой
пленки.
Допустимые рабочие напряженности комбинированной бу-
мажной изоляции целесообразно выбирать так, чтобы бумага,
пропитанная жидким диэлектриком, работала при принятых для
бумажной изоляции рабочих напряженностях.
Как показывает опыт создания конденсаторов с комбиниро-
ванным диэлектриком при dc = 60 мкм допустимые рабочие на-
пряженности могут быть приняты: в бумажной компоненте, про-
питанной трихлордифенилом, 16—18 кВ/мм, в комбинированной
изоляции (при ап=60—70%) — 30—37 кВ/мм, в пленке —40—
•50 кВ/мм.
Уровень технологии изготовления конденсатора — остаточ-
ное давление и температура при термовакуумной обработке, чи-
стота и общая культура технологического процесса — может
120
также оказывать заметное влияние на значение рабочей напря-
женности.
В современных бумажных конденсаторах с трихлордифени-
ловой пропиткой, работающих на частоте 50—60 Гц, при мате-
риалах высокого качества и высоком уровне технологии, рабо-
чая напряженность поля при пониженных толщинах диэлект-
рика (50—60 мкм) может доходить до 22—22,5 кВ/мм; при
этом обеспечивается ресурс примерно в 20 лет для 90 % конден-
саторов.
В конденсаторах повышенной частоты (до 10 кГц) с бу-
мажно-хлордифениловым диэлектриком рабочая напряжен-
ность определяется практически только тепловым режимом.
4-6. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРОВ
Зависимость чувствительности измеритель-
ных устройств от схемы соединения секций;
в конденсаторе. Примем, что конденсатор состоит из п
параллельно соединенных секций в группе из т секций или
групп, соединенных последовательно. Если кажущийся заряд,
ч. р. в секции емкостью Сс, отнесенный к выводам секции, ра-
вен 7ч. р. с, то соответствующее ему изменение напряжения сек-
ции равно АПс = 7ч. р. с/Сс. Тогда скачок напряжения на входе-
регистрирующей схемы в начальный момент времени
8x01 ° тСвхС0 + пСсСвх + пСсС0
=----------. (4-46);>
Я^ВХ^О “Ь яСсСо
При кажущемся заряде ч. р. для конденсатора в целом (от-
несенного к выводам конденсатора), равном q4. р. к, соответ-
ствующее ему изменение напряжения конденсатора равно
Д^7к = 7ч. р-к/Ск, где Ск=Ссп!т. В этом случае скачок напря-
жения на входе регистрирующей схемы в начальный момент-
времени
ДПВХ 02 = ДПК----------------------= АП --------- пСсС°---------=
^вх^о 4“ СКСВХ + №^ВХ^оЧ“Л^С^ВХ 4“ пСсСо
~т?ч-р-кСр. (4-47)1
тСвхСд пСсСвх + пСсСд
При равенстве входных напряжений в первом и во втором
случаях (АПвхо1 = АПвхо2) из (4-46) и (4-47) имеем
7ч. р. с = яЦч. р. кф (4-48)»
12Е
Из (4-48) следует, что одинаковые входные напряжения воз-
никают, когда кажущийся заряд на выводах секции в т раз
больше кажущегося заряда на выводах конденсатора. Так как
чувствительность схемы определяется по кажущемуся заряду
на выводах конденсатора, то при заданной чувствительности
реальная чувствительность схемы регистрации к ч. р. в секции
падает обратно пропорционально числу последовательно соеди-
ненных секций т [61].
При Свх<сС0 и СвхССс в соответствии с (4-46) имеем
А^вх ох = <7ч.Р.с/(«Сс). (4-49)
Из (4-49) следует, что входное напряжение уменьшается об-
ратно пропорционально числу секций п, соединенных парал-
лельно, что приводит к уменьшению чувствительности схемы
регистрации обратно пропорционально числу параллельно сое-
диненных секций п.
Таким образом, чувствительность регистрирующих схем по
отношению к кажущемуся заряду, отнесенному к выводам сек-
ции, уменьшается, если секции в конденсаторе соединены па-
раллельно или последовательно. При минимальном регистри-
руемом заряде 10—60 пКл это соответствует 100—700 пКл для
одной секции в низковольтных конденсаторах (параллельное
соединение секций) и 300—500 пКл для высоковольтных кон-
денсаторов в зависимости от числа секций, соединенных после-
довательно, и емкости секций.
Влияние индуктивности контура и внутрен-
ней индуктивности конденсатора на результаты
измерения характеристик ч. р. Индуктивность контура
зависит от индуктивности испытуемого и соединительного кон-
денсаторов. В силовых конденсаторах индуктивность секций
обычно значительно меньше индуктивности соединительных
элементов. Поэтому индуктивность конденсатора определяется
индуктивностью соединительных элементов (выводы секций,
соединительные шины) и выводов конденсатора.
Для конденсатора, имеющего резонансную частоту ниже
верхней частоты полосы усилителя, могут возникнуть ошибки
в измерениях характеристик ч. р. за счет резонансных явлений.
При этом происходит завышение измеряемого кажущегося за-
ряда ч. р. [57].
В [61] приводится зависимость влияния индуктивности кон-
тура на результаты измерения характеристик ч. р. (рис. 4-19).
При измерениях использовался резонансный усилитель, настро-
енный на частоту f©=28 кГц, и выходной усилитель, настроен-
ный на частоту 100 Гц с квадратичным прибором на выходе,
дающим отсчет в децибелах. Прибор градуировался подклю-
чением к выводам конденсатора генератора, который создавал
разряды с интенсивностью от 50 до 5000 пКл с частотой
100 имп/с. При этом устанавливалась связь между значением
122
ч)
Рис. 4-19. Влияние индуктивности:
контура L на измеряемый кажу-
щийся заряд q4. р: а — схема из-
мерения; б — зависимость <?Ч.Р =
=f(L), Ск=1 мкФ, Со~0,5 Ск
на рис. 4-19, а. Импульсьг
трансформатор с заземлен-
разряда, в пКл, и отсчетом прибора для измерения квадратич-
ного параметра на выходе.
Как следует из кривой рис. 4-19, чувствительность схемы па-
дает, если индуктивность в измерительном контуре превышает
50 мкГн при емкости конденсатора Ск=1 мкФ и фильтровой
емкости Со=О,5Ск (резонансная частота контура 40 кГц).
Примеры устройств для измерения характе-
ристик ч. р. в силовых конденсаторах.
Для регистрации ч. р. в силовых конденсаторах в Советском
Союзе применяются ИУ, содержащие либо широкополосный
усилитель с полосой пропускания
от 10 до 150 кГц, либо узко-
полосный усилитель, настроенный
на частоту, лежащую в пределах
от 10 кГц до собственной резо-
нансной частоты конденсатора.
В качестве индикаторного устрой-
ства используется осциллограф.
Счетчик импульсов имеет разре-
шающее время до 10 мкс. Мини-
мальный регистрируемый заряд
составляет не более 1 пКл при
емкости конденсатора 1 мкФ.
EDF (Франция) [61] исполь-
зует измерительное устройство,
содержащее два усилителя: вход-
ной, настроенный на 28 кГц, и
выходной, настроенный на 100 Гц.
Испытательное напряжение пода-
ется через реактивность, настро-
енную в резонанс с конденсато-
ром. Схема соединения приведена
ч. р. подаются на усилитель через
ной средней точкой. Устройство регистрирует ч. р. выше 10 пКл
с частотой повторения 100 имп/с на выводах конденсатора мощ-
ностью 20—100 кВ-А. Устройство позволяет получить инте-
гральное значение кажущегося заряда ч. р. за короткий отрезок
времени, выраженный в децибелах по отношению к определен-
ному уровню. Используется визуальное наблюдение за распо-
ложением разрядов во времени для отстройки от внешних помех.
ERA (Англия) применяет схему (см. рис. 2-1, а) с широко-
полосным усилителем, имеющим полосу 10—150 кГц и разре-
шающее время 30 мкс. Минимальный регистрируемый заряд —
менее 10 пКл до емкостей 250 мкФ. Максимальная мощность
конденсаторов— 150 кВ-А.
В Голландии [61] применяются устройства, использующие
как прямой (см. рис. 2-1, а, б), так и мостовой (рис. 2-1, в)
методы измерения с широкополосным усилителем, имеющим
123-
полосу 10—150 кГц, разрешающее время, 2 мкс. Минимальный
регистрируемый заряд равен 10 пКл для конденсаторов до
200 мкФ.
Методика измерения характеристик ч. р. Со-
гласно рекомендациям МЭК, испытания, при которых изме-
ряются характеристики ч. р., производятся при температуре
(25±10)°С. Минимальный регистрируемый заряд на выводах
конденсатора должен быть не менее 15 пКл.
В процессе испытания сначала прикладывается номинальное
напряжение Д1ЮМ до достижения термического равновесия. За-
тем выбранное напряжение Дпер/]^2 (по условиям возникно-
вения перенапряжений в эксплуатации) прикладывается 1 раз
в течение 1 с и затем снижается до 1,2 Дном и выдерживается
в течение 10 мин, после чего напряжение повышается до
1,5 Дном и выдерживается еще 10 мин. При этом не должны
возникнуть ч. р. заданной интенсивности (50 пКл) и не должен
изменяться уровень ч. р.
Для конденсаторов продольной компенсации линий электро-
передачи, кроме этого испытания, конденсатор заряжается от
источника постоянного напряжения до напряжения,, равного
амплитуде ожидаемых перенапряжений Дпер, и разряжается на
заданный контур. Разряды повторяются 50 раз с интервалами
5 с. Затем прикладывается напряжение 1,2 Uном В1 течение
10 мин и 1,5 Дном в течение 10 мин. При этом не должно быть
изменения уровня ч. р.
В проекте британского стандарта для силовых конденсато-
ров предусматриваются испытания напряжением 2 Дном в те-
чение 1 с, после чего прикладывается напряжение 1,2 Дном в те-
чение 10 мин и 1,5 Г/ном в течение 10 мин; при последнем
испытании не должно быть устойчивых ч. р. с амплитудой
5-10-9Ск°-5, Кл, где Ск — емкость конденсатора, мкФ.
Британский стандарт содержит испытания на ч. р., в про-
цессе которых к конденсатору прикладывается напряжение
3 Дном в течение 1 с, затем 1,2 Дном в течение 10 мин и 1,5 Дном
в течение 10 мин. При последнем напряжении не должно быть
ч. р. на уровне 60 пКл.
5-1. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ
Для кабелей высокого напряжения наибольшее распростра-
нение получила изоляция на основе кабельных бумаг с пропит-
кой маслоканифольным компаундом (кабели до напряжения
35 кВ включительно) или нефтяными кабельными маслами (ка-
Рис. 5-1. Структура изоляции кабелей с бумажной изо-
ляцией
/ — токоведущая жила; 2 — свинцовая оболочка; 3 — ленты бу-
маги; 4 — возможный дефект в намотке изоляции; 5 — увели-
ченная масляная прослойка в месте совпадения лент; h\ — шаг
намотки; —ширина масляного канала
бели на напряжение 110 кВ и выше). В некоторых типах кабе-
лей на напряжение ПО кВ и ниже изоляция выполняется из
пластмасс (чаще всего полиэтилена).
Бумажная изоляция выполняется из лент кабельной бумаги,
накладываемых слоями с зазором между лентами одного слоя,
причем так, что зазоры в каждом последующем слое перекры-
ваются лентами вышележащих слоев. Перекрытие составляет
30—35% от шага намотки, что соответствует совпадению зазо-
ров по радиусу кабеля через каждые два слоя (рис. 5-1). Ши-
рина зазора обычно колеблется! от 0,5 до 2 мм. Так как бу-
мажная изоляция кабеля сушится и пропитывается под вакуу-
125
мом, то зазоры заполнены кабельным маслом или пропиточным:
составом (компаундом). Толщина прослоек в месте зазора при
идеально плотной намотке не может быть меньше толщины бу-
мажной ленты. При совпадении зазоров в двух соседних слоях
(повивах) прослойка не может быть меньше двойной толщины:
ленты. На практике встречается и большее число совпадений
бумажных лент, что приводит к появлению в изоляции значи-
тельных по толщине прослоек пропитывающего состава. Обычно
максимально допустимое число таких совпадений нормируется..
В кабелях с вязкой пропиткой (маслоканифольный компаунд
с присадками синтетических материалов типа полиизобути-
лена) возможно образование газовых включений в толще изо-
ляции как в процессе производства кабеля, так и в процессе
эксплуатации. Газовые включения появляются главным обра-
зом из-за различия в температурных коэффициентах расшире-
ния пропитывающего состава и других материалов, используе-
мых в кабеле. При тщательном проведении процессов сушки,
пропитки и охлаждения объем газовых включений составляет
0,1—0,3%. После того как кабель с вязкой пропиткой прорабо-
тает определенное время, процент газовых включений повыша-
ется примерно до 3%.
Образование пустот в процессе эксплуатации кабелей с вяз-
кой пропиткой происходит в результате повторных циклов на-
грева и охлаждения кабеля (тепловое дыхание кабеля). При
нагревании наиболее сильно расширяется пропитывающий со-
став, так как его температурный коэффициент объемного рас-
ширения наибольший (8-10-4 К-1 по сравнению с 5-Ю-5 К-1
для меди, 9-10-5 К-1 Для свинца). Это приводит к увеличению
давления внутри кабеля и расширению свинцовой оболочки под
его действием. После охлаждения в период уменьшения на-
грузки на кабель (уменьшения тока, протекающего по жиле
кабеля), объем пропитывающего состава уменьшается, а некото-
рое расширение оболочки, связанное с необратимой ее дефор-
мацией, сохраняется. При этом в толще изоляции кабеля воз-
никают пустоты, которые располагаются главным образом в за-
зорах между лентами бумаги.
В изоляции одножильного кабеля напряженность в точке
на расстоянии г от оси может быть определена по формуле
для двух коаксиальных цилиндров:
Ег =----------,
г In (Г2/Г1)
(5-1)
где U — напряжение между жилой и оболочкой кабеля; г\ и
г2 — соответственно наружный радиус жилы и внутренний ра-
диус оболочки.
Наибольшая напряженность при этом возникает на поверх-
ности жилы с радиусом гь
126
В кабелях с жилой, состоящей из отдельных проволок, на-
пряженность на поверхности жилы увеличивается по сравне-
нию со значением, определяемым из выражений (5-2).
Для ослабления влияния отдельных проволок на увеличе-
ние напряженности на поверхности жилы применяется экрани-
рование поверхности жилы полупроводящей бумагой.
В силовых кабелях с пропитанной бумажной изоляцией по-
следовательно расположены слои бумаги и пропитывающего со-
става, причем иногда образуются газовые включения, вытес-
няющие состав из прослоек. При этом в отдельных слоях при
приложении переменного напряжения возникают различные на-
пряженности электрического
поля вследствие различия
в диэлектрических проницае-
мостях слоев.
Рассмотрим эквивалент-
ную схему замещения элемен-
тарного слоя диэлектрика
толщиной Дг, расположенного
на расстоянии г от центра од-
ножильного кабеля и состоя-
щего из слоев бумаги толщи-
ной Дб, пропитывающего со-
става Дж и газа Дв [37]. Эта эквивалентная схема в рассматри-
ваемом случае может быть представлена в соответствии
с рис. 5-2.
Так как Дг4Сг, то падение напряжения на элементарном
слое будет равно
Д U ~ Ег\г = -— Дг, (5-3)
1 Г’
г In ——
Г1
где Ег — средняя напряженность на расстоянии г от центра
одножильного кабеля (в предположении однородности изо-
ляции) .
Эквивалентная емкость Сэ рассматриваемого элементарного
слоя на единицу длины кабеля определится емкостью трех по-
следовательно соединенных конденсаторов, соответствующих
слою бумаги Сб, слою воздуха Св и слою пропитки Ст;
= =Сж
схема эле-
ментарного слоя пропитанной бумаж-
ной изоляции
=ГСв
т
(5-4)
тде еб, ев и еж — соответственно диэлектрические проницаемости
пропитанной бумаги, газа и пропитывающего состава.
Напряжение, приходящееся на слой газового включения,
равно
д ив=д и =-----------— (5_5)
Св + 1
6в
127
Учитывая, что Аг = Ае +Ав +Аж, отношение напряженности
в прослойке к средней напряженности
1 -I Аж + Аб
Ав
Ев
Ег
1 । Аж + Аб
___________Ав_______
1 । 6в Ag । ев Аж
8б8жЛв ®б Ав 8Ж Дв
для напряженности в прослойке пропиты-
ев8бЛ Ж еВежАб
(5-6)
Соответственно
вающего состава
Еж
Ег
Ац Дб
А ж
вжЕбАв 4~ бвбжЛб
ебевАж
1 । Ав + Аб
________Аж_________
6ж Ав । вж Дб
ев Аж 8б Дж
(5-7)
Пропитывающий состав или газ (воздух) могут находиться
главным образом в зазорах между лентами бумаги. При этом
толщина зазоров между лентами кабельной бумаги приблизи-
тельно равна толщине бумажной ленты бб- Рассматривая эле-
ментарный слой изоляции от одного совпадающего по радиусу
зазора до другого, можно положить Аб = нбб.
Если все зазоры заполнены пропитывающим составом, то
Ав = 0, АЖ~бб и
Еж 1 ~Ь га
Ег 1 + пеж/8б
(5-8)
Диэлектрическая проницаемость кабельного масла равна
2,2ео, а диэлектрическая проницаемость пропитанной бумаги
изменяется от 3,5 ео до 4,3 ео, в зависимости от плотности бу-
маги. В этом случае при перекрытии на ’/з шага намотки н=2
и при пропитке изоляции кабельным маслом для 86 = 3,8 во
имеем ЕУК1ЕТ=\Д, т. е. напряженность в пропитывающем со-
ставе в 1,4 раза выше средней напряженности.
Если все зазоры заполнены газом, то можно положить
Аж = 0, Ав~бб и
_Ёв_ = —1±Д— . (5-9)
Er 1 + пев/еб
При п = 2 имеем EB/Er = 2.
Если почти все зазоры заполнены пропитывающим соста-
вом, и лишь отдельные — газом, то можно положить Ав<САб',
АВ«;АЖ; Аб = нАж. При этом
=-----1+Д---- и _g* = 1 + га (5-10)
Ег 6в »ев Er t I пеж
6 ж еб еб
В этом случае при н=2, бж = 2,2 8о и 86 = 3,8 8о имеем ЕВ1ЕТ = ‘А
и Еж/Ег=\,4:> т. е. напряженность в газовых включениях может
128
в 3 раза превысить среднюю напряженность электрического
поля.
Таким образом, напряженность электрического поля в про-
слойках пропитывающего состава и в возможных газовых
включениях существенно превышает среднюю напряженность.
Так как электрическая прочность пропитывающего состава,
а тем более газа (воздуха), существенно меньше электрической
прочности пропитанной бумаги, то ч. р. в кабельной изоляции
возникают вследствие пробоя прослоек пропитывающего со-
става, или —при наличии газовых
включений — вследствие пробоя га-
зовых включений.
5-2. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В КАБЕЛЯХ
С ВЯЗКОЙ ПРОПИТКОЙ
Как было показано в § 5-1, в ка-
белях с вязкой пропиткой может
происходить образование газовых
включений, в которых возможно
возникновение ч. р.
Пробивное напряжение газа
в однородном поле, согласно за-
кону Пашена, зависит от расстоя-
ния между электродами и давле-
ния. Для воздуха эта зависимость
дана на рис. 1-2. Приведенная кри-
вая имеет минимум пробивного
напряжения, равный для воздуха
327 В, при ptZB = 91 Па-см. Зависи-
Рис. 5-3. Зависимость напря-
женности начальных ч. р. в про-
слойках газа от толщины и
давления, Дв = Дб
7 —Дв=0,08 мм; 2 —Дв =0,21 мм;
3 — Дв =0,35 мм
мость напряженности ч. р. при
различных толщинах газовой прослойки, равных толщине листа
бумаги, от давления приведена на рис. 5-3.
На основании этих данных могут быть определены предель-
ные напряженности на жиле кабелей с вязкой пропиткой (для
е/Е0 = 3,5), в которых при атмосферном давлении и 15° С про-
исходит пробой газовых прослоек. Ниже приведены значения
этих напряженностей для воздушных прослоек разной толщины:
Толщина газовой прослойки, мм. .0,06 0,12 0,25
Напряженность ч. р. в изоляции
кабеля с газовым включениями,
кВ/мм:
при единичном включении. . . 3,0 2,1 1,7
при наличии листов между вклю-
чениями (и = 2)..............4,4 3,2 2,6
Анализ [1] зависимости распределения напряженностей по
толщине изоляции для кабелей на 6 кВ (СБ 3X150) и на 35 кВ
5 Г. С. Кучинский
129
(ОСБ 3X120) показывает, что в кабелях на 6 кВ ч. р. в газо-
вых включениях толщиной 0,1 мм при рабочем напряжении не-
возможны. В кабеле на 3 кВ ч. р. возможны в указанных выше
газовых включениях, если эти включения располагаются в не-
посредственной близости от поверхности жилы. Увеличение чи-
сла включений при неизменности их размеров приводит к уве-
личению напряженности возникновения ч. р. (табл. 5-1). Однако
при испытательных напряжениях ч. р. возможны даже в изо-
ляции кабелей 6 кВ.
Приведенные данные показывают, что образование газовых
включений в изоляции кабелей с вязкой пропиткой существенно
ограничивает допустимые рабочие напряженности электриче-
ского поля.
Развитие дефекта в изоляции кабеля с вязкой пропиткой не
всегда связано с увеличением интенсивности ч. р. В ряде слу-
чаев вследствие образования полупроводящих пленок на по-
верхности полостей газовых включений происходит снижение
интенсивности ч. р. Затухание ч. р. во включениях, расположен-
ных вблизи жилы кабеля, сопровождается ростом напряжен-
ностей в зазорах, более удаленных от жилы. При этом созда-
ются условия для возникновения ч. р. в новых включениях. Та-
ким образом, ч. р., перемещаясь по толщине изоляции, приводят
к общему ее ухудшению, и в конечном итоге к пробою кабеля.
В кабелях с нарушением герметичности оболочки этот процесс
ускоряется за счет увлажнения слоев бумаги под оболочкой
кабеля.
5-3. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
В МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ КАБЕЛЯХ
В маслонаполненных кабелях при правильном выполнении
технологии сушки и пропитки газовые включения отсутствуют,
так как оставшееся небольшое количество газа должно пол-
ностью раствориться в пропитывающем составе (кабельном
масле). Ч. р. в этом случае возникают вследствие пробоя мас-
ляных прослоек. Электрическая прочность прослоек масла су-
щественно зависит от толщины этих прослоек, а также от дав-
ления. На рис. 1-3 приведена зависимость пробивной напряжен-
ности прослойки масла от толщины прослойки.
Как было показано в [6], зависимость электрической проч-
ности масляных прослоек от толщины Дм может быть представ-
лена формулой
£м.пр = -з^=г, (5-11)
у Дм
где а — коэффициент, зависящий от чистоты, сорта масла и от
давления.
130
Зависимость напряженности в масляных прослойках, соот-
ветствующей критическим ч. р., от толщины прослойки Дм
имеет вид
£м. пр = 31,1 Ай0’21, (5-12)
где Ем. пр — в кВ/мм, Дм — в мм.
Зависимость (5-11) справедлива для прослойки масла в за-
зоре, прилегающем к жиле. Электрическая прочность прослойки
толщиной 0,12 мм может
быть принята равной 60 кВ/мм.
Для напряженности в про-
слойках, соответствующей
начальным ч.р., при давлении
105 Па аналогичная зависи-
мость имеет вид
Ем.и = -^=~, (5-13)
V Дм
а при давлении 106 Па
£н.н = -^4-> (5-14)
V Дм
где Ем. н — в кВ/мм, Дм —
в мм.
Характеристики ч. р. в ка-
бельной изоляции, работаю-
щей в слабо неравномерном
поле, исследовались на образ-
Рис. 5-4. Конструкция образцов для
исследования характеристик ч. р.
бумажно-масляной кабельной изоля-
ции в равномерном поле
1 — охранное кольцо; 2 — электроды
цах плоской конструкции
с дисковыми электродами,
в которых краевой эффект
был ослаблен специальными
кольцевыми прокладками
(рис. 5-4), а также на ци-
линдрических образцах с конусными разделками краев элек-
трода. В этих опытах начальные ч. р. не фиксировались, и ре-
гистрировалась только вторая стадия (критические ч. р.).
На рис. 5-5 приведены зависимости напряженности критиче-
ских ч. р. от толщины бумажной ленты, полученные на плоских
образцах без масляных зазоров для слабо неравномерного поля.
Введение масляных зазоров, характерных для изоляции кабе-
лей, снижает напряженность критических ч. р. примерно на
25% (рис. 5-6).
С уменьшением толщины бумажной ленты существенно воз-
растает напряженность ч. р. Это объясняется прежде всего тем,
что толщина бумажной ленты определяет толщину масляного
зазора, а электрическая прочность масла растет с уменьшением
5*
131
толщины прослойки в соответствии с формулой (5-11) или
рис. 1-3.
Увеличение плотности бумаги влияет на изменения элек-
трических характеристик кабельной изоляции так же, как и
в изоляции конденсаторов.
С одной стороны, с увеличением плотности возрастает элек-
трическая прочность листов бумаги; с другой стороны, увели-
чение плотности приводит к росту диэлектрической проницае-
мости бумаги бб, согласно соотношениям (4-29) и (4-30), что
сопровождается увеличением напряженности в масляных про-
Рис. 5-5. Зависимость напряженности
критических ч. р. от толщины ленты
бумаги в изоляции кабелей, пропитка
нефтяным маслом (заштрихована об-
ласть разброса с отклонением от сред-
него на ±2о)
Рис. 5-6. Зависимость напряженности
критических ч. р. от толщины масля-
ного зазора между лентами в слабо
неравномерном поле (заштрихована
область разброса с отклонением от
среднего на ±2о)
1 — зазор в толще изоляции; 2 — зазор
у электродов
слойках и облегчает возникновение ч. р. Поэтому увеличение
плотности бумаги приводит к росту кратковременной электриче-
ской прочности кабельной изоляции и к снижению напряжения
(напряженности) ч. р. и сокращению срока службы изоляции.
Развитие ч. р. в масляных прослойках ленточной изоляции
при длительном воздействии напряжения приводит к образова-
нию ветвистых побегов, при которых пробой развивается на
большие расстояния по зигзагообразному пути между слоями
бумаги. Это связано с тем, что при разряде в масляном зазоре
возникает продольная (вдоль слоев) составляющая напряжен-
ности электрического поля, способствующая развитию пробоя
между слоями до ближайшего масляного канала.
На рис. 5-7 приведена зависимость напряженности критиче-
ских ч. р. в зависимости от давления масла рж. Как следует из
этого рисунка, для кабельной изоляции, пропитанной маслом,
увеличение напряженности критических ч. р. с ростом давления
до 3-108 Па происходит несколько медленнее, чем для конден-
саторной бумажно-масляной изоляции, и удовлетворяет фор-
муле £кр = 37(1 + 3- 10~7рж), где Екр — в кВ/мм, рж —в Па.
132
Увеличение напряженности ч. р. с ростом избыточного дав-
ления приводит кувеличению электрической прочности при
длительном приложении напряжения с ростом давления.
На рис. 5-8 приведены зависимости электрической прочности
кабельной изоляции при длительном приложении переменного
напряжения 50 Гц от толщины бумажной ленты при различных
Рис. 5-7. Зависимость напря-
женности критических ч. р.
от давления
1 — маслонаполненный кабель; 2 —
газонаполненный кабель. Толщина
ленты бумаги у жилы 0,06 мм
Рис. 5-8. Зависимость электриче-
ской прочности пропитанной бу-
маги от толщины ленты и давле-
ния при длительном приложении
переменного напряжения
1 — 1,5 МПа; 2 — 1,0 МПа; 3 — 0,4 МПа
давлениях масла. Приведенные данные показывают, что изме-
нение давления от 4-105 до 15-105 Па приводит к увеличению
длительной электрической прочности приблизительно в 1,4 раза.
5-4. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В КАБЕЛЯХ
С ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
При длительном приложении напряжения в кабелях с пласт-
массовой изоляцией возможно возникновение ветвистых побе-
гов — дендритов,— постепенно развивающихся от одного элек-
трода к другому и приводящих к пробою изоляции. Характер-
ные фотографии дендритов в толще изоляции полиэтиленовых
кабелей приведены на рис. 5-9.
Дендриты зарождаются в местах с повышенной неоднород-
ностью электрического поля. В ряде случаев причинами зарож-
дения дендритов являются ч. р., развивающиеся в газовом
включении в толще изоляции. В других случаях причинами яв-
ляются инородные включения, по структуре сходные с поли-
этиленом, но более темного цвета. Размеры включений, наблю-
даемые на срезах изоляции кабелей, составляют сотые доли
миллиметра. Эти включения могут вноситься как вместе с гра-
нулами полиэтилена, так и в процессе производства кабелей.
133
Количество включений может колебаться от 0,1 до 100 включе-
ний в 1 см3 изоляции кабелей. В некоторых случаях не удается
установить наличия каких-либо изменений в изоляции кабелей
и в месте зарождения дендрита. В этом случае причиной за-
рождения дендритов могут явиться разряды, возникающие
в микротрещинах размерами ~ 1 мкм, расположенных на гра-
ницах сферолитов, или механически перенапряженных молеку-
лярные связи.
Момент зарождения дендрита на специальных образцах мо-
жет быть определен достаточно четко визуально и по схеме ре-
Рис. 5-9. Фотографии срезов изоляции полиэтиленовых ка-
белей с дендритами
гистрации ч. р. [27]. Визуально наблюдается начальный микро-
канал, приобретающий длину 150 мкм за время около 0,1 с. До
возникновения дендрита не удается обнаружить ч. р. даже при
минимальном регистрируемом кажущемся заряде на уровне
ICC15 Кл. Возникновение и прорастание дендрита сопровожда-
ется появлением ч. р. на уровне 10 14—1О13 Кл. Через 1—2 с
кажущийся заряд ч. р. увеличивается до 1012—10-11 Кл. При
дальнейшем прорастании дендрита интенсивность ч. р. меняется
весьма незначительно, увеличиваясь не более, чем в 2 раза. При
этом средний ток ч. р. составляет порядка 10~9 А.
Сам дендрит состоит из полых каналов, заполненных газом,
в ряде случаев с весьма слабо науглероженными внутренними
поверхностями каналов. Стенки канала имеют очень высокое
удельное поверхностное сопротивление; непосредственные изме-
рения дали значение более 1010 Ом. Вследствие высокого сопро-
тивления каналы дендрита не могут рассматриваться как про-
134
г
Должение электрода, а следовательно, не могут существенно
исказить конфигурацию поля. Форма дендритов может быть
различной [13]. При воздействии больших перенапряжений
обычно возникают дендриты шарообразной формы (рис. 5-9, а).
При длительном воздействии пониженных напряжений чаще
всего возникают дендриты с несколькими сильно вытянутыми
ветвями (рис. 5-9,6).
Строение дендрита зависит также от его расположения
в изоляции кабелей [13, 36]. Если дендрит расположен вблизи
одного из электродов, то он развивается в виде одного куста.
Дендриты в толще изоляции состоят в ряде случаев из двух
кустов, соединенных ^вместе стволами и направленных в про-
тивоположные стороны.
Развитие зародившегося дендрита связано с разрушением
полиэтилена ч. р., возникающими в каналах дендрита. Можно
установить связь между длиной доминирующей ветви дендрита
/д и максимальным кажущимся зарядом ч. р. q4, pmax или энер-
гией Гч.ртах единичного ч. р., которая может быть представ-
лена [27] формулой
-^ч. р max ~ ?ч. р max 0^2 > (5'15)
где 62—коэффициент, зависящий от напряженности электриче-
ского поля.
В практически однородном поле скорость развития дендрита
»д растет с увеличением /д в соответствии с выражением
ид = идОеЬ1гд. (5-16)
Общий срок службы изоляции кабелей определяется суммой
двух времен: временем зарождения дендрита и временем разви-
тия дендрита. Как показано в [30], время зарождения дендрита
определяется максимальной напряженностью электрического
поля в месте возникновения неоднородности. На рис. 5-10 при-
ведены функции распределения времен зарождения t3 дендри-
тов, полученные на образцах с игольчатыми электродами, при
различных значениях максимальной напряженности Етях на
поверхности инициирующей иглы. Эта напряженность вычисля-
лась по формуле
£тах=------z , (5-17)
Г In 1 + —
\ г /
где U — приложенное напряжение; г—радиус закругления
иглы; d— расстояние между электродами (иглами).
В работе также показано, что t3 не имеет непосредственной
связи со средней напряженностью E^—Uld. Зависимости t3 от
fmax, полученные при различных вероятностях пробоя, приве-
135
дены на рис. 5-11. Эти зависимости хорошо выражаются фор-
мулой t3 = kyEmTi, где mi лежит в пределах от 5 до 10 и возрас-
тает с уменьшением вероятности зарождения дендрита.
Рис. 5-10. Распределение времен зарождения (7—4) и развития (5)
дендритов до пробоя при максимальной напряженности электрического
поля
/ — 400; 2 — 280; 3 — 260; 4 — 230 кВ/мм и при средней напряженности 6,8 кВ/мм
(кривая 5)
В отличие от времени зарождения дендрита, время разви-
тия дендрита от момента зарождения до полного пробоя опре-
деляется средней напряженностью. Зависимости времени раз-
D Л 1 Р = 0,5 Р — 0,9
г и,1 к —. 1« tl
ят2 з 10~2 10-' з ю-' г.о з ю зо id з id . с
Рис. 5-11. Зависимости времени зарождения дендритов от максимальной
напряженности электрического поля при различных вероятностях зарож-
дения
вития /р дендритов до пробоя от средней напряженности £Ср
при различных вероятностях пробоя приведены на рис. 5.12. Эти
зависимости могут быть представлены в виде /р = &2£'срт2> где
т2 лежит в пределах от 2,5 до 5 и увеличивается с уменьше-
нием вероятности пробоя.
Функция распределения срока службы тСл=^з+^р опреде-
ляется функциями распределения времени зарождения t3 ден-
136
дрита и развития /р дендрита [см. формулы (3-31) — (3-35)].
На рис. 5-10 приведена характерная кривая 5 распределе-
ния времени развития дендрита.
Если в полиэтиленовую изоляцию кабелей возможно попа-
дание влаги, то эта влага может явиться причиной возникнове-
ния дендрита и выхода из строя изоляции кабеля. При этом
время, необходимое для проникновения воды вследствие про-
цессов диффузии, с учетом сил, действующих на частицу воды
в электрическом поле, и электрофореза определяет время за-
рождения дендрита. Один из возможных механизмов развития
Рис. 5-12. Зависимости времени развития дендритов до пробоя от сред-
ней напряженности электрического поля при различных вероятностях
пробоя
водных дендритов заключается в следующем [65]. Содержа-
щаяся в изоляции вода нагревается вследствие диэлектрических
потерь и давление образующегося при этом пара приводит к воз-
никновению микротрещин, в которых развиваются дендриты.
5-5. ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
В кабельной изоляции причинами снижения электрической
прочности в процессе длительного приложения напряжения
(старение изоляции) являются ч. р. и воздействие повышен-
ных температур.
Степень снижения электрической прочности во времени за-
висит от типа кабеля. На рис. 5-13 [6] приведены зависимости
пробивной напряженности от времени выдержки напряжения
для различных типов кабелей, из которых следует, что наиболее
сильное снижение электрической прочности происходит для ка-
беля с вязкой пропиткой, и наименьшее — у маслонаполнен-
ного кабеля высокого давления.
Характер этих зависимостей хорошо объясняется тем, что
в изоляции кабелей с вязкой пропиткой ч. р. развиваются наи-
более интенсивно.
Наименьшую интенсивность ч. р. можно ожидать в малона-
полненных кабелях высокого давления.
137
Зависимость пробивной напряженности £пр (пробивного на-
пряжения) от времени выдержки т до пробоя для кабельной
изоляции может быть выражена формулой
Е-Е,
Е =Е Н-------
пр оо 1 п>—
УТ
(5-18)
где Еоо и п — параметры, зависящие от типа изоляции.
Рис. 5-13. Зависимость электрической
прочности от времени
/ — маслонаполненный кабель при давлении
1,5 МПа; 2 — то же при 1,0 МПа; 3 — то же
при 0,1 МПа; 4 — газонаполненный кабель
(давление азота 1,5 МПа); 5 —кабель с вяз-
кой пропиткой
В формуле (5-18) Ех
является пробивной напря-
женностью при длительном
воздействии приложенного
напряжения, причем эта
длительность может быть
принята равной нескольким
годам.
В ограниченной области
значений т формула (5-18)
может быть представлена
в виде: £'пр = Л/]/т, где А
зависит от вязкости пропи-
тывающего состава, плот-
ности бумаги и давления.
Эта формула справедлива
при изменении т в преде-
лах: для маслонаполнен-
ных кабелей — от долей се-
кунды до 10 мин, для кабелей с вязкой пропиткой — от долей
секунды до 10 ч, для газонаполненных кабелей — от долей се-
кунды до 100 ч.
Рис. 5-14. Построение зависимости
электрической прочности от аргу-
мента т-1"1
Рис. 5-15. Зависимость электриче-
ской прочности полихлорвинило-
вой изоляции от времени
Формула 5-18 позволяет определить Е<х> следующим построе-
нием. На графике по оси ординат откладывается пробивная
напряженность, а по оси абсцисс— время в масштабе 1/ут.
Тогда зависимость (5-18) в принятых масштабах выразится
138
прямой линией, пересечение которой с осью ординат дает пре-
дельное значение электрической прочности при длительном при-
ложении напряжения Ех (рис. 5-14).
По данным [6] значения Ех для различных типов кабелей
могут быть приняты равными, кВ/мм:
Маслонаполненный низкого давления ... 40
С вязкой пропиткой.................12
Газонаполненный высокого давления ... 20
Значения Е^ для всех ти-
пов кабелей в 2—4 раза выше
принимаемых обычно рабочих
напряженностей. Это, по-ви-
димому, объясняется, с одной
стороны, необходимостью вве-
дения коэффициентов запаса,
учитывающих возможный
статистический разброс зна-
чений Ес, а с другой сторо-
ны— возможными разли-
чиями в физических процес-
сах старения изоляции при
повышенных напряженностях,
соответствующих режиму ус-
коренных испытаний, и при
рабочих напряженностях элек-
трического поля.
Зависимости пробивной на-
пряженности от времени вы-
держки для кабелей с пласт-
массовой изоляцией приведены
на рис. 5-15 и 5-16 [37]. Как
Рис. 5-16. Характерная зависи-
мость электрической прочности
от времени для кабелей с пласт-
массовой изоляцией
/ — допустимая в эксплуатации напря-
женность поля: 2 — время эксплуата-
ции 30 лет
следует из рис. 5-15 и 5-16,
длительная электрическая прочность кабелей с пластмассовой
изоляцией составляет около 10 кВ/мм, что так же в 2—3 раза
выше принимаемых рабочих напряженностей.
5-6. ВЫБОР ДОПУСТИМЫХ
РАБОЧИХ НАПРЯЖЕННОСТЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Допустимая рабочая напряженность в электрических кабелях
должна выбираться с учетом длительно воздействующего рабо-
чего напряжения и кратковременных перенапряжений, воздей-
ствующих в процессе эксплуатации.
Рабочая напряженность в ряде случаев может определяться
отсутствием перегрева диэлектрика за счет потерь, выделяю-
щихся в кабеле, в том числе диэлектрических потерь в его изо-
139
ляции, или исходя из обеспечения тепловой стабильности изо-
ляции.
При выборе допустимых рабочих напряженностей £рав про-
мышленной частоты на основании длительно воздействующего
рабочего напряжения исходной является пробивная напряжен-
ность £оо при длительном приложении напряжения, которая мо-
жет быть выбрана по рис. 5-17. Однако при переходе от £«>
к £Раб должен быть учтен ряд факторов, приводящих к сниже-
нию длительной электриче-
ской прочности, а также учи-
тывающих возможное изме-
нение условий эксплуатации.
В СВЯЗИ С ЭТИМ £раб можно
определять по формуле
£ ,= k.E /(/г.&Тг,).
раб 4 оо/ \ 1 2 3/
Коэффициент ki учитывает
возможное повышение рабо-
чего напряжения; обычно ki =
= 1,15. Коэффициент k2 учи-
тывает возможные уменьше-
ния электрической прочности
вследствие технологических
дефектов: совпадения зазо-
ров, наличия морщин при на-
Рис. 5-17. Примерные зависимо-
сти пробивной напряженности при
длительном воздействии перемен-
ного напряжения (Ех) от дав-
ления для различной толщины
бумажных лент: маслонаполнен-
ные (а) н газонаполненные (б)
кабели
1 — 0,030; 2 — 0,045; 3 — 0,075; 4 — 0,125;
5 — 0,175 мм
мотке лент и др. и может
быть принят равным 1,25—1,5.
Коэффициент k3 учитывает
уменьшение электрической
прочности в маслонаполнен-
ных кабелях вследствие воз-
можного уменьшения давле-
ния масла до минимально до-
пустимого значения. Обычно
учитывает разброс в
ших длинах кабелей
&з=1,1—1,2. Коэффициент kt
значениях £« и для обеспечения в боль-
необходимой высокой надежности может
быть принят
ь=1 —4о/£ ,
4 оо’
где а/Еж — коэффициент вариации £«. Обычно <jIEx может
быть принят равным 0,15, тогда /г4=1—4-0,15 = 0,4.
Таким образом эквивалентный поправочный коэффициент
Л = Л1й2^з/^4 лежит в пределах 3,5—5. Обычно эквивалентный
поправочный коэффициент принимается равным 4 [6].
Рассчитанная на основании выбранной допустимой рабочей
напряженности изоляция кабелей проверяется на отсутствие
ч. р. в масляной пленке. Для этого при рабочем напряжении
по формуле (5-7) определяется напряженность в масляном за-
140
зоре1, которая не должна быть выше электрической прочности
масла в этом зазоре при давлении, соответствующем мини-
мально допустимому. Электрическая прочность масла в зазоре
может быть определена по формулам (5-13) и (5-14).
Рабочие напряженности в кабелях имеют следующие значе-
ния, кВ/мм:
С вязкой пропиткой...............2,6—4,2
В маслонаполненных:
низкого давления................ 8—11
среднего » ............ 10—13
высокого » ............ 12—15
С пластмассовой изоляцией .... 3—5
5-7. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ
Измерения характеристик ч. р. в коротких от-
резках кабелей. При регистрации ч. р. в образцах кабе-
лей ограниченной длины (порядка нескольких метров) могут
Рис. 5-18. Схема измерения характеристик ч. р. в изоляции
кабелей Со — соединительная емкость; z— измерительный
элемент; У — усилитель; ИУ — измерительное устройство
быть применены схемы регистрации, практически не отличаю-
щиеся от описанных в гл. 2. В этом случае кабель может рас-
сматриваться как сосредоточенная емкость и может быть ис-
пользована измерительная схема, приведенная на рис. 5-18[52].
Так как при ч. р. в кабеле возникает волновой процесс
с многократными отражениями волн по концам испытуемого
отрезка кабеля, то для того, чтобы образец кабеля мог рас-
сматриваться как сосредоточенная емкость, необходимо, чтобы
импульсы, возникающие на входе регистрирующего устройства
от единичного ч. р., воспринимались устройством как один им-
пульс. Для этого разрешающее время усилителя Д/Шт должно
быть существенно больше, чем время пробега волны по длине
кабеля: A/min>(2-н 3)//t>, где I—длина испытуемого отрезка
141
кабеля; у=1/]/|4о8—скорость электромагнитной волны 6 ка-
беле. При е/ео = 2ч-4 значение v лежит в пределах 150—
200 м/мкс.
Так как для ИУ с широкополосным усилителем по (2-36)
A/min = 1 /(З/г), где f2 — верхняя полоса пропускания усилителя,
то f2<v/(5-r-10)/.
Соответственно для измерительного устройства с узкополос-
ным усилителем по (2-41) A/min=l/Af, где \f — ширина полосы
пропускания усилителя, имеем Af<^ у/(5-з-10)/.
Таким образом, при /'2= 1 МГц по схемам рис. 5-18 (кабель
эквивалентируется сосредоточенной емкостью) испытание воз-
Рис. 5-19. Мостовая схема для изме-
рения характеристик ч. р. в одно-
жильных кабелях
г — измерительный элемент; У — усили-
тель; ИУ — измерительное устройство
ствующие части металлической
можно производить для об-
разцов кабелей длиной не бо-
лее 20—30 м.
Для устранения помех
в концевых муфтах, а также
при отсутствии соединитель-
ной емкости на требуемое ис-
пытательное напряжение це-
лесообразно использовать мо-
стовую схему, изображенную
на рис. 5-19. На металличе-
ской оболочке кабеля дела-
ются четыре разреза, при этом
два средних (основных) уча-
стка оболочки кабеля соеди-
няются в мостовую схему,
а крайние участки оболочки
вместе с корпусами концевых
муфт заземляются. Разрезы
должны изолировать на не-
большое напряжение соответ-
оболочки и не должны при-
водить к существенному изменению электрического поля изо-
ляции кабеля. Для этого щель разреза должна иметь доста-
точно малые размеры (1—2 мм); при выполнении разреза
нельзя повреждать слои полупроводящих экранных лент, рас-
положенных под оболочкой кабеля. В пропитанных компаун-
дом или маслонаполненных кабелях разрезы герметизируют
эпоксидным компаундом. В других случаях для предотвраще-
ния местных разрядов разрезы погружают в кабельное масло.
Правильно сбалансированная мостовая схема позволяет от-
строиться от внешних помех схемы и ч. р. в концевых муфтах,
и четко регистрировать ч. р. в испытуемых отрезках кабеля.
Испытание трехжильных кабелей может быть произведено
по схеме рис. 5-20 [52]. В этом случае испытывается междуфаз-
ная изоляция жил, причем используется мостовая схема. Изме-
рять. характеристики ч. р. в изоляции между фазой и зем-
142
лей можно по этой же схеме при отключении одной из ветвей
моста.
В трехжильных кабелях типа ОСБ или экранированных ка-
белях (типа Н) для регистрации ч. р. рекомендуется схема
рис. 5-21, в которой высокое напряжение подается на металли-
ческие оболочки или экраны кабелей, одна из жил заземляется,
а две другие включаются по мостовой схеме. В этом случае
Рис. 5-21. Мостовая схема для из-
мерения характеристик ч. р.
в трехжильных экранированных
кабелях
г — измерительный элемент
Рис. 5-20. Мостовая схема для
измерения характеристик ч. р.
в трехжильных кабелях с по-
ясной изоляцией
г — измерительный элемент
жилы, присоединяемые к измерительным элементам, полностью
экранированы оболочкой, на которую подается высокое напря-
жение, что существенно уменьшает влияние посторонних помех
и внешних разрядов.
Измерение характеристик ч. р. в длинных отрезках
кабелей. При измерении характеристик ч. р. в длинных отрезках кабелей
необходимо учитывать возможность многократных отражений волн, возник-
ших в кабеле вследствие ч. р. в его изоляции. Это явление наиболее полно
было рассмотрено в [52]. В этом случае схема развития ч. р. в кабеле может
быть представлена в соответствии с рис. 5-22.
При достаточно большой длине кабеля и отсутствии отраженных волн
от концов кабеля эквивалентная схема имеет вид, изображенный на рис. 5-23.
Обозначим /д — ток, протекающий через емкость Сд и iB — ток разряда емко-
сти включения Св. Тогда ток, протекающий через включение, 1 = 1'в-Н'д. Волна
напряжения, возникающая в жиле кабеля, при этом равна: и = (дгк/2,
где zK — волновое сопротивление кабеля.
143
Для этой волны
J udt =-----— f i„ dt или
о 2 о
_ гк
_~Г<7ч-р
(5-19)
где q4. р кажущийся заряд ч. р.; to — длительность волны. Амплитуда волны
________Сд гк<
Сд + Св ~2 ‘
(5-20)
Рнс. 5-22. Ч. р. в изоляции кабеля большой длины
Св емкость включения; Сд—емкость диэлектрика, расположенного последова-
тельно с включением
Рис. 5-23. Эквивалентная схема
ч. р. в изоляции кабеля большой
длины
zK— волновое сопротивление кабеля
Рис. 5-24. Форма волны,
возникающей в кабеле при
ч. р. в его изоляции
Волна, возникающая на жиле кабеля прн ч. р. в его изоляции, имеет
форму, изображенную на рис. 5-24, причем время t0 соответствует времени су-
ществования разряда во включении и составляет приблизительно 20—40 нс.
144
Учитывая реальную форму волны,
и, учитывая (5-19),
и dt
о
— Uт^о>
Uт — гк<7ч. р/(2/о).
Так как
Zk = 1/j=^T’
где V— 1/]^LC—скорость вол-
ны в кабеле; L и С — индук-
тивность и емкость на единицу
длины кабеля, то
Um = <7ч. р/(2Со/0).
Таким образом, амплитуда
волны пропорциональна кажу-
щемуся заряду ч, р. в изоля-
ции кабеля. При длительности
волны около 20 нс в процессе
ч. р. участвует около 6—8 м
кабеля.
Регистрация воли, возни-
кающих в кабеле при ч. р. в
его изоляции, может быть про-
изведена по схеме рис. 5-25, а.
Импульс напряжения на
измерительном элементе R оп-
ределится коэффицентом пре-
ломления волны иа конце ка-
беля:
2R /к ооч
Ubx — и - . (5-22)
z R
Чтобы избежать существен-
ного искажения плоской части
импульса значение соедини-
тельной емкости Со можно оп-
ределить из условия
CoR 5/0
или Со 5/0//?. (5-23)
(5-21)
Рис. 5-25. Схемы регистрации волн, воз-
никающих в одножильном кабеле при
ч. р. в его изоляции: а — с соединитель-
ным конденсатором Со; б — без соедини-
тельного конденсатора; в—мостовая
схема
R — измерительное сопротивление
Например, при Л = 20 Ом, /о=2О нс желательно иметь Со^5ООО пФ.
К измерительному элементу подключается фильтр, пропускающий высо-
кие частоты (в данном случае выше 100 кГц) и широкополосный усилитель
с осциллографом в качестве регистрирующего устройства. Желательно иметь
осциллограф со ждущей разверткой, запускаемой от регистрируемого им-
пульса, что позволяет использовать более простые осциллографы для реги-
страции многократно повторяющихся процессов.
При отсутствии соединительного конденсатора может быть использована
схема рис. 5-25, б, где в качестве емкости Со используется отрезок испытуе-
мого кабеля, у которого на расстоянии от конца сделан разрез металличе-
ской оболочки. Длина выбирается из условия li « O,5v/o.
Регистрация волн, возникающих в кабеле, может быть осуществлена
также по мостовой схеме, изображенной иа рис. 5-25, в. В этой схеме в ка-
честве емкости Со может быть использована емкость концевой разделки
145
кабеля, оболочка которой изолирована от оболочки основного испытуемого
кабеля. Мостовая схема позволяет произвести отстройку от внешних помех
и разрядов, возникающих при испытании кабеля.
Многожильные кабели можно испытывать по мостовой схеме, изобра-
женной на рнс. 5-26. В этом случае в качестве соединительной емкости ис-
пользуется емкость участка соседней фазы кабеля.
Импульсы, возникающие на измерительном элементе, проходя через уси-
литель, искажаются. При приходе на вход усилителя прямоугольного им-
пульса длительностью to и при переда-
точном коэффициенте, равном 1, ампли-
туда импульса на выходе усилителя
равна
Рис. 5-26. Мостовая схема для ре-
гистрации волн, возникающих
в многожильном кабеле при ч. р.
в его изоляции
R — измерительное сопротивление
Uт вых— Нт(1 —е Vy), (5-24)
где Ту — постоянная времени усилителя..
В процессе продвижения на длину х
по кабелю происходит затухание им-
пульса
Umx=Ume~xi, (5-25)
где £ — коэффициент затухания.
Обычно на длине в 100 м сигнал
уменьшается приблизительно в 1,5 раза.
С учетом (5-21), (5-22), (5-24) и
(5-25) амплитуда регистрируемого сиг-
нала может быть определена по фор-
муле
,, _ 2к?ч. р
о т вых — ~---- А
2^
X ----—----(1 — ё~Vy) е~х%. (5-26)
R + 2к
Шумы, возникающие в кабеле, мо-
гут быть определены как в активном
сопротивлении R3 = RzK/(R + zK) [52]
иш = V4kTR3\f, (5-27)
где k — постоянная Больцмана; Т — абсо-
лютная температура; Д/— ширина по-
лосы пропускания усилителя; иш — на-
пряжение шумов (действующее зна-
чение) .
Амплитудное (пиковое) значение
напряжения шумов обычно в 2,5 раза
Um). Тогда минимальный регистрируемый
больше эффективного (U т ш — 2,5
заряд, сигнал от которого должен не менее, чем в 2 раза превышать уро-
вень шумов, с учетом (5-26) и (5-27) равен
ех £ -1 /? + гк
1 — е—#о'ту V RzK
Из (5-28) можно получить, что оптимальная ширина полосы
ния определяется нз соотношения
2лД/70 =1,3.
?ч. р min — kT
(5-28)
пропуска-
(5-29)
При /о = ЗО нс оптимальная ширина полосы пропускания равна 8 МГц.
При этом при длине кабеля около 500 м и 7? = zK = 30 Ом минимальный ре-
гистрируемый заряд обеспечивается около 0,2 пКл.
146
ОДнако так как при этом обычно шумы усилителя составляют 100 мкВ,
а контурные шумы — около 5 мкВ, то указанная чувствительность требует
создания входного трансформатора на указанную полосу частот с коэффи-
циентом трансформации около 20, что трудно осуществить.
При проведении градуировки [52] необходимо учитывать (5-19) и (5-22),
что дает для кажущегося заряда ч. р.
?ч. р = — / » = А+г« . J uBxdt = ,R+. , (5-30)
о 0
где S — площадь осциллограммы импульса на входе ИУ.
Рис. 5-27. Схемы для определения места возникновения ч. р.
в кабеле
Со — соединительная емкость; R — измерительное сопротивление
При правильно выбранных параметрах усилителя площадь S осцилло-
граммы напряжения на выходе ИУ пропорциональна площади осцилло-
граммы напряжения на входе устройства. Тогда, зная коэффициент усиления
усилителя, можно пользоваться (5-30) для определения кажущегося заряда
ч. р.
147
Во избежание возможных ошибок целесообразно проводить градуировку
схемы регистрации, используя генератор прямоугольных импульсов.
При этом
-^ = —, (5-31>
<?Г Sp
где <?г — кажущийся заряд, соответствующий импульсу градуировочного ге-
нератора; 5г — площадь осциллограммы на выходе измерительного устрой-
ства.
Определение места возникновения ч. р. в кабелях.
В готовых кабелях место возникновения ч. р. может быть определено с по-
Рис. 5-28. Схема регистрации ч. р. в процессе производства
полиэтиленовых кабелей
1 — барабан для намотки кабеля; 2 — кабель без экранирующей обо-
лочки; 3 — ванна; 4 — жидкий диэлектрик; 5 — высоковольтный элект-
род; z — измерительный элемент; ИУ — измерительные устройства
мощью регистрации волновых процессов, которые являются следствием ч. р.
в изоляции кабеля [52]. Для этого могут быть использованы схемы рис. 5-27,
в которых объектом является кабель, длина которого ограничивается лишь
процессами затухания волны при перемещении по кабелю, а измерительное
устройство позволяет регистрировать импульсы, связанные с волновыми про-
цессами в изоляции, т. е. полоса пропускания усилителя удовлетворяет (5-29),
а конденсатор связи и измерительный элемент удовлетворяют (5-23). Тогда
в схеме рис. 5-27, а при возникновении ч. р. на расстоянии х от одного из
концов кабеля, к которому подключены соединительный конденсатор Со и
измерительный элемент R, на измерительном элементе возникнут два им-
пульса: один — от волны, прошедшей расстояние х, а другой — от волны,
отраженной от противоположного конца кабеля и прошедшей расстояние
21—х. В связи с этим второй импульс будет сдвинут во времени относи-
тельного первого на 2(1—x)/v. Соответственно в схеме рис. 5-27,6 импульсы
будут сдвинуты по времени на 2x/v, а в схеме рис. 5-27, в —на (/—2х)/щ
Скорость v= 1/]/ер0 распространения импульса по кабелю может быть
рассчитана или экспериментально определена при имитации ч. р. на одном
из концов кабеля.
148
По осциллограммам может быть легко определено расстояние х от
места возникновения ч. р. до конца кабеля.
Проведение испытаний по трем схемам рис. 5-27 одновременно позво-
ляет более точно определить место возникновения ч. р. в кабеле.
Многожильные кабели могут быть испытаны по схеме рис. 5-26 без кон-
денсатора связи, причем каждая из пар жил при этом включается по мосто-
вой схеме. Для трехжильных кабелей возможны 9 комбинаций включения
жил по мостовой схеме.
При минимальном регистрируемом заряде около 2—5 пКл точность оп-
ределения места возникновения ч. р. составляет около 3 м.
При производстве полиэтиленовых кабелей для обнаружения дефектов
до наложения металлической оболочки рекомендуется схема, изображенная
на рис. 5-28.
Высокое напряжение подается на цилиндрический электрод с закруглен-
ными концами, который имитирует оболочку кабеля. Жила кабеля зазем-
ляется. Участок испытуемого кабеля вместе с высоковольтным электродом
помещается в ванну с изоляционной жидкостью (тетрахлорэтилен, трихлор-
этилен и др.), обладающей диэлектрической проницаемостью, близкой к ди-
электрической проницаемости изоляции кабеля. Испытания кабеля произво-
дятся при намотке на барабан и при перемещении внутри цилиндрического
электрода высокого напряжения.
6
6-1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ
В силовых высоковольтных трансформаторах применяется,
главным образом, маслобарьерная изоляция, которая состоит
из чередующихся слоев электрокартона и нефтяного масла. Из
этих двух компонентов при воздействии переменного и импульс-
ного напряжений наиболее нагружены масляные каналы. Так,
например, в области равномерного поля соотношение между на-
пряженностями в масле £м и в электрокартоне Ек равно:
Ем__2
Ек ем
Так как электрическая прочность масла в 3—4 раза меньше
прочности пропитанного, электрокартона, то ч, р. возникают
прежде всего в прослойках масла.
В силовых трансформаторах локальные повышения напря-
женности электрического поля, достаточные для возникновения
ч. р., могут возникать в различных местах, причем опасность.
149
ч. р. определенной интенсивности существенно зависит от места
их возникновения. Так, интенсивные ч. р. в виде стримерной
короны в чисто масляном промежутке (например, с фланца
проходного изолятора) при воздействии рабочего напряжения
или перенапряжений представляют существенно меньшую опас-
ность, чем аналогичные ч. р. в маслобарьерной изоляции (на-
пример, пробой масляного канала), так как
в последнем случае эти ч. р. приводят к необра-
тимым разрушениям твердой изоляции. Кроме
того, ч. р. одинаковой интенсивности, возникаю-
щие в различных местах по длине обмотки, при-
водят к различным регистрируемым значениям
кажущегося разряда вследствие затухания сиг-
нала при его прохождении по обмотке. Эти об-
стоятельства существенно затрудняют установ-
ление опасных уровней ч. р. при различных
воздействиях.
Можно выделить следующие виды ч. р. в изо-
ляции силовых трансформаторов: 1) пробой
масляного канала в маслобарьерной изоляции
средней части обмотки; 2) пробой масляного
канала в области края обмотки; 3) пробой мас-
ляного зазора в месте соприкосновения изолиро-
ванного провода и электрокартона или бумаги
(изоляция отводов, перемычек, междуфазная
изоляция); 4) ч. р. в бумажно-масляной изоля-
ции на отводах, перемычках и т. п.; 5) пробой
масляного канала между катушками (в про-
дольной изоляции); 6) частичный пробой витко-
вой изоляции; 7) скользящий разряд по поверх-
ности электрокартона.
Схема развития пробоя масляного канала
приведена на рис. 6-1. Такой пробой чаще всего
приводит к местным необратимым поврежде-
ниям твердой изоляции (обугленные следы на
поверхности или в толще твердой изоляции —
электрокартона или бумаги) и возможному
дальнейшему развитию этих повреждений. Для
изоляции трансформатора важно не только сохранение ее изо-
лирующих свойств в момент пробоя масляного канала, но и со-
хранение ее длительной прочности в процессе дальнейшей экс-
плуатации. Поэтому напряжение, приводящее к пробою масля-
ного канала, принято отождествлять с пробивным напряжением
маслобарьерной изоляции, определяющем ее кратковременную
электрическую прочность (38].
В главной изоляции трансформаторов высокая напряжен-
ность возникает у поверхности провода обмотки £,тах =
= (2-4-2,5)Ew, где Еу, — напряженность в середине масляного
а)
3
2
6)
Рис. 6-1. Схема
развития про-
боя масляного
канала
1 — обмотка;
2 — барьер; 3 —
разряд
:150
канала, которая определяется по формуле:
£м = уч i —, (6-1 >
гср^м ~ 1П
ei rt—l
i
где rcp — радиус поверхности, проходящей через середину мас-
ляного канала; Гг— радиус граничной поверхности i-ro слоя;.
— диэлектрическая проницаемость i-ro слоя.
В связи со значительным искажением поля в первом масля-
ном канале, как правило, пробои наступают прежде всего в этой
канале, разделяющем обмотку и первый барьер из картона.
Рис. 6-2. Эскиз выполнения изоляции у внутренней поверхности
обмотки (а) и картина электрического поля в масляном канале
вблизи обмотки (б)
Характерными особенностями условий работы маслобарьер-
ной изоляции в трансформаторах и реакторах является отсут-
ствие открытых металлических поверхностей электродов в ме-
стах наибольшей напряженности поля и отсутствие острых
кромок и углов на электродах. Поэтому начальные ч. р. локали-
зуются не у поверхности металла, а у поверхностей изоляции,,
в первую очередь — в местах стыков изоляционных деталей.
Другим очагом начальных ч. р. являются места касания барье-
ров и изолированного провода обмотки в переходах и перемыч-
ках. На рис. 6-2 показано выполнение изоляции у внутренней
поверхности обмотки и картина электрического поля в этом
узле.
К поверхности медного провода плотно прилегают бумаж-
ные ленты, образующие витковую изоляцию самого провода.
Ч. р. в толще витковой изоляции (в масляных прослойках
между листами бумаги) могут возникать при напряжении поля
у поверхности провода не менее Дтах=150—200 кВ/см. При
этом напряженность в середине масляного канала должна быть
равна £'м = 60—100 кВ/см, в то время как в рабочем режиме £м
не превосходит 25—40 кВ/см. Значительно большую опасность
15Ь
Рис. 6-3. Характерная картина поля
для края обмотки
ЕК — емкостное кольцо; К — катушка об-
мотки; Б —- барьер; УШ — угловая шайба;
АВ — наиболее вероятный путь развития
пробоя масляного канала
Рис. 6-4. Зависимость максимальной
напряженности у угла в системе
электродов угол—плоскость от отно-
шения d/r
при длительном воздейст-
вии рабочего напряжения
представляют ч. р., возни-
кающие у поверхности изо-
ляции провода в щелях
между проводом и про-
кладками, между проводом
и рейками. В этих щелях
застревают пузырьки газа,
образующиеся в масле по
различным причинам. По-
явление и рост размеров
пузырьков зависит от мно-
гих случайных факторов и
это, в частности, опреде-
ляет значительный разброс
напряжений начальных ч. р.
Образование пузырьков
в масле возможно при рез-
ком уменьшении давления,
в результате разложения
масла в электрическом
поле, в результате измене-
ния температуры и т. д.
Эти пузырьки имеют мик-
роскопические размеры, но,
скапливаясь в узких щелях
и прилипая к поверхности
бумаги и картона, они со-
здают благоприятные усло-
вия для развития ч. р.
Повышенные напряжен-
ности электрического поля
возникают на краю об-
мотки вблизи емкостного
кольца. Характерная кар-
тина поля для края об-
мотки приведена на рис. 6-3.
В трансформаторах выс-
ших классов напряжения
с целью уменьшения мак-
симальной напряженности
поля поверхность емкост-
ных колец выполняется
с закруглением радиусом
до 40—50 мм. При этом
наибольшая напряженность
у поверхности изоляции ем-
152
костного кольца Emax~ (2—2,5)EW, где Ем вычислено по (6-1)..
Приближенная оценка Етах может быть сделана на основании:
расчета поля между электродами закругленный угол — плос-
кость:
Рис. 6-5. Распределение на-
пряженности Е по поверхности
картона в зависимости от I
при расходящихся изоляцион-
ных барьерах для различных
расстояний а между электро-
дами и & — между катушками
одной обмотки
1 —- а = 5 мм, 6 —ос; 2 — а~Ъ мм,
6=5 мм; 3 — <7=10 мм; 6 = 5 мм;
4 — а=15 мм, 6=5 мм; 5 — а =
= 28 мм, 6=5 мм
Рис. 6-6. Зависимость напряжения
критических ч. р. (f/Kp) от рас-
стояния а между электродами при-
различной толщине изоляции ка-
тушек и различном расстоянии b
между катушками одного потен-
циала
1 — изоляция катушки 0,8 мм, радиус-
закруглення 0,8 мм; 2 — голые катуш-
ки, радиус закругления 0,8 мм
Зависимость отношения EmasJEcp от отношения d/г приве-
дена на рис. 6-4.
Ч. р. у поверхности емкостного кольца будут возникать при
некотором определенном значении £,тах=£'о. Поэтому зависи-
мость средней напряженности Еч.р= U4.v/d, при которой у края
обмотки начнутся ч. р., от размеров d и г имеет вид
^ч. р — Ео
г
d -f- г
(6-3)
153-
Отсюда следует, что при неизменном г с ростом d значение
Еч. р падает.
В масляных клиньях, образующихся там, где изолирован-
ные токоведущие части (провод обмотки, емкостное кольцо,
отвод и т. д.) в местах изгибов опираются на картонные изо-
ляционные детали, напряженность электрического поля имеет
значительную составляющую, касательную к поверхности кар-
тона. Масляные зазоры возникают также между расходящимися
изоляционными барьерами из электрокартона или кабельной
бумаги. В этом случае пробой масляной прослойки возни-
кает в месте расхождения изоляционных барьеров и далее раз-
вивается по поверхности изоляции в виде скользящего разряда.
Обследование поля при различных толщинах изоляции по-
казало, что напряженность в масляной прослойке проходит че-
рез максимум на некотором удалении от начла масляного
зазора. Характерное распределение напряженности по поверхно-
сти изоляции у масляного клина приведено на рис. 6-5. Зависи-
мости напряжения критических ч. р. от расстояния между элек-
тродами а при различных толщине изоляции катушек и рас-
стоянии b между катушками одного потенциала приведены на
рис. 6-6. Обследование поля при различных расстояниях между
•обмотками а и между катушками одной обмотки b показало,
что в то время как напряженность в масляной прослойке, со-
ответствующая возникновению критических ч. р., изменяется
весьма значительно, продольная составляющая напряженности
остается практически без изменения и равна приблизительно
75 кВ/см.
6-2. ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
При подъеме напряжения в изоляции силовых трансформа-
торов и в моделях различных узлов до наступления пробоя
обычно наблюдаются два четких уровня ч. р.
Ч. р. первого вида — начальные ч. р.— имеют кажущийся
заряд 5—1000 пКл (5—1000 мкВ) и представляют собой еди-
ничные импульсы или группы импульсов, нерегулярно повто-
ряющиеся. Такие ч. р. не вызывают видимого свечения масла
(свечение может быть зарегистрировано фотоэлектронным ум-
ножителем с большим усилением по свету). Напряжение по-
гасания таких ч. р. приблизительно на 5—10% ниже уровня
возникновения. Эти ч. р. не вызывают при кратковременном
воздействии (минуты) видимых следов повреждения твердой
изоляции (картона, бумаги).
Ч. р. второго вида — критические ч. р.— имеют существенно
"больший кажущийся заряд — 2500—100 000 пКл и более
(2500—100 000 мкВ и более). Такие ч. р. вызывают заметное
154
повреждение твердой изоляции даже при кратковременном:
приложении напряжения.
Разрушение изоляции ч. р. было исследовано в [60]. Опыты,
проводились на образцах изоляции, которые имели один элек-
трод в форме диска с закругленными краями, а другой — ме-
таллическую пластину; между
электродами помещалась бумага,
бумага и картон с масляным ка-
налом между ними или без мас-
ляного канала. В ряде образцов
диск находился в металлизиро-
ванной ячейке, выполненной в
пакете электрокартона, что поз-
воляло избежать разрядов между
электродом и электрокартоном.
В большинстве случаев вна-
чале регистрировались слабые
начальные ч. р. с кажущимся за-
рядом менее 10 пКл в свежих,
не испытанных ранее образцах:
эти разряды не вызывали замет-
ных разрушений твердой изоля-
ции. Затем при определенном
напряжении возникали критиче-
ские ч. р. с кажущимся зарядом
порядка 105—106 пКл, которые
вызывали необратимые повреж-
дения на листах бумаги и элект-
рокартона не только на верх-
ней поверхности, прилегающей
к электроду, но и на последую-
щих нескольких листах. Харак-
терные зависимости для одного
из типов образцов приведены на
рис. 6-7. При этом в зависимо-
стях кажущегося заряда от на-
пряжения наблюдалось увеличе-
ние характеристик ч. р. при спус-
ке напряжения (явление гистере-
Рис. 6-7. Зависимость наибольших
ч. р. 7ч.ртах от напряжения для
образцов без масляного канала
С — слой бумаги; Е — нижний элект-
род; F — верхний электрод; abc — но-
вая изоляция; de —• непосредственно
после предыдущего измерения; fg —
поврежденная изоляция после действия,
критических ч, р. в течение 580 с;
h.k — после отдыха в течение 44 ч
зиса), а при последующих подъемах напряжения значение ка-
жущегося заряда существенно увеличивалось.
В случаях, когда ч. р. возникали в больших масляных про-
межутках, характеристики изоляции восстанавливались после
отдыха в течение продолжительного времени (14 ч). Если ч. р.
возникали в узких масляных щелях, то продолжительный отдых
не приводил к восстановлению характеристик изоляции. При
испытаниях установлено, что при определенном напряжении
возникают начальные ч. р. порядка 100 пКл и при напряжении
155-
в 1,5—2 раза большем — критические ч. р., которые в дальней-
шем приводят к пробою изоляции.
Ч. р. на образцах изоляции, изготовленных из деталей, при-
меняемых в трансформаторном производстве и имеющих один
из электродов в виде обмотки, были исследованы в [45].
Образцы с конструкцией, изображенной на рис. 6-8, а, ис-
пользовались для исследования электрической прочности сере-
дины обмотки и имели внутренний электрод, позволяющий соз-
Рис. 6-8. Образцы маслобарьерной изоляции: а — середины изоляции МБКС;
б — края изоляции МБИК:
/ — внутренний электрод—экран; 2— картонные цилиндры — барьеры; 3 — прокладки;
4—наружный электрод—обмотка; 5—рейка; 6 — угловая шайба
давать наибольшую напряженность электрического поля в сред-
ней части образца. Для исследования электрической прочности
края обмотки использовались образцы типа рис. 6-8, б. Напря-
жение на образцах поднималось плавно до появления началь-
ных ч. р. Минимальный регистрируемый заряд ч. р. при опреде-
лении напряжения начальных ч. р. (7Н составлял 10~10 Кл. За-
тем напряжение поднималось плавно примерно до 1,5 UH и
далее ступенями через 5—8% с одноминутной выдержкой на
каждой ступени до появления критических ч. р. порядка
10 6—10-5 Кл. На основании полученных в опытах напряжений
и измеренных геометрических размеров образца по формуле
(6-1) определялась расчетная напряженность в середине пер-
вого масляного канала. Образцы, изготовлялись по обычной
.156
технологии и подвергались до испытания переборке с последу-
ющей заливкой маслом под вакуумом (р0Ст = 1,3-103 Па).
Для образцов середины обмотки средняя напряженность в се-
редине первого масляного канала, приводящая к появлению
начальных ч. р., равнялась 47 кВ/см, а критических — 62 кВ/см.
Соответственно для образцов края обмотки £н = 33 кВ/см и
ДКр=46 кВ/см. Для образцов середины обмотки, залитых мас-
лом после переборки без вакуума, £н = 34 кВ/см, а для образ-
цов, пропитанных и испытанных без переборки, £н = 61 кВ/см,
что мало отличается от напряженности критических ч. р. Не-
смотря на небольшое количество измерений, из этих результа-
тов следует, что напряженность начальных ч. р. сильно зави-
сит от технологии обработки изоляции.
В ряде работ ч. р. измеряли на полностью собранных транс-
форматорах. Как показали исследования, интенсивность ч. р.
существенно зависит от конструкции и технологической обра-
ботки изоляции трансформаторов [44]. Характеристики ч. р.
резко различны для двух групп трансформаторов с высшим на-
пряжением до ПО кВ и с высшим напряжением 220 кВ и выше.
При безвакуумной заливке маслом (первая группа) в изо-
ляции образуется, большое количество воздушных включений.
Ч. р. в этих трансформаторах на уровне 10-10 Кл могут су-
ществовать уже при рабочем напряжении. Так, например,
в 28 трансформаторах ПО кВ среднее напряжение начальных
ч. р. Дн на уровне 10-10 Кл было равно 65 кВ при наибольшем
фазном рабочем напряжении Оф. раб наиб = 73 кВ с коэффициен-
том вариации 20%.
С повышением напряжения максимальный кажущийся заряд
<ч. ртах» зарегистрированный в процессе испытания, растет сна-
чала быстро, а при напряжениях, больших (1,5—2) Дф. раб, рост
замедляется. Резкое увеличение кажущегося заряда ч. р., ха-
рактерное для появления критических ч. р., не наблюдается
вплоть до испытательного напряжения. Грубые дефекты сильно
сказываются на характеристиках ч. р. На рис. 6-9 приведены
результаты измерений q4. pmax на трансформаторе, не выдер-
жавшем испытания. Монотонно возрастающая кривая характе-
ризует уровень ч. р., обусловленный воздушными включениями.
Вспышки максимального кажущегося заряда до 10-6—10“5 Кл
вызваны пробоями больших масляных промежутков и повреж-
дением твердой изоляции. При напряжении 160 кВ во время
вспышек ч. р. до 10 5 Кл прослушивались глухие щелчки в баке
трансформатора.
, Наибольшие зарегистрированные уровни ч. р. при испыта-
тельном напряжении для трансформаторов первой группы без
явных дефектов составили от 5-Ю-8 до 10-7 Кл. Неоднократно
измерения ч. р. проводились до и после полного комплекса ти-
повых испытаний, причем результаты измерений всегда прак-
тически совпадали. Это можно считать свидетельством того, что
157
изоляция трансформаторов не была повреждена при испытании
переменным напряжением и стандартными импульсами.
Связь между небольшими отклонениями технологического
процесса от нормы и интенсивностью ч. р. была обнаружена
только после обработки многочисленных результатов испыта-
ний методами математической статистики. При этом необхо-
димо измерять все параметры ч р., так как в отдельных слу-
чаях только некоторые из них реагируют на отклонения техно-
логического процесса. В качестве иллюстрации на рис. 6-10 при-
ведены результаты опыта по выяснению влияния пребывания на
Рис. 6-10. Зависимости тока ч. р.
от напряжения для трансформа-
тора с увеличенным временем пре-
бывания активной части на воз-
духе
Рис. 6-9. Зависимость наибольших
ч. р. </ч. р max от напряжения для де-
фектного трансформатора ПО кВ
открытом воздухе на характеристики пропитанной маслом изо-
ляции трансформатора НО кВ. Кривая 1 относится к измере-
ниям ч. р. в процессе контрольных испытаний, кривая 2 полу-
чена после дополнительного пребывания пропитанной актив-
ной части трансформатора на воздухе в течение нескольких
десятков часов. Зависимости тока ч. р. от напряжения явно
отличаются друг от друга, в то время как зависимости
7ч. ртах = f(U) практически совпали. Это может быть объяснено-
увеличением количества мест возникновения ч. р. в изоляции
(за счет дополнительных воздушных включений и увлажнения)
при сохранении размеров включений.
Трансформаторы напряжением 220 кВ и выше проходят бо-
лее тщательную технологическую обработку изоляции и зали-
ваются маслом под вакуумом. При этом воздушные включения,,
имеющие размеры, достаточные для возникновения в них ч. р.„
полностью удаляются из изоляции.
158
Испытания трансформаторов классов напряжения 220, 330,
400, 500 и 750 кВ показывают, что ч. р. в их изоляции практи-
чески полностью отсутствуют при рабочем и испытательном
напряжениях. Регистрируемые при испытаниях разряды имеют
интенсивность, как правило, не больше 5-10-10 Кл и представ-
ляют собой внешние помехи.
Как показывает опыт, причиной больших ч. р. могут быть
конструктивные и технологические недостатки трансформа-
торов: недостаточная сушка,
некачественная пропитка,
слишком длительное пребыва-
ние активной части на воздухе,
недостаточный вакуум при за-
ливке маслом и т. д.
На рис. 6-11 приведены за-
висимости интенсивности ч. р.
в районе рабочего напряжения
при наличии некоторых дефек-
тов. Как следует из рисунка,
грубые дефекты в трансфор-
маторах (кривые 1 и 2) могут
•быть обнаружены даже без
устранения воздушной короны
на вводах. Кривая 2 относится
к автотрансформатору 330 кВ,
проработавшему несколько
лет и начавшему выделять газ.
Измерения позволили устано-
вить очень высокий уровень
ч. р. в изоляции. Разборка ав-
тотрансформатора подтверди-
ла наличие повреждения изо-
ляции («ползущий разряд»).
Напряжение ч. р. в опыт-
пом трансформаторе с безва-
куумной пропиткой (кривая 4)
и трансформаторе с некачест-
Рис. 6-11. Дефекты, обнаруженные
в трансформаторах измерениями ч. р.
1 — посторонние предметы в опытном
трансформаторе 500 кВ; 2 — ползущий
разряд; 3 — корона на вводах трансформа-
торов 330 кВ без экранов (усредненная
кривая); 4 — безвакуумная пропитка
(опытный трансформатор 110 кВ); 5 —не-
достаточный вакуум при заливке маслом
трансформатора 500 кВ; 6 — отклонения
от нормированной технологической обра-
ботки
венной заливкой маслом (кривая 5) составляет (0,3—0,5)
£7ф. раб. наиб и лежит ниже напряжения возникновения короны на
.неэкранированных вводах. Ч. р. при других дефектах могут на-
чинаться при напряжении, равном или большем рабочего (кри-
вые 2 и 6).
Дефекты технологического характера не могут быть четко
зафиксированы без установки экранов (кривые 4, 5, 6). Ход
кривых 4 и 5, относящихся к ч. р. в воздушных включениях, ха-
рактеризуется скачком ^ч.ртах в момент начала ч. р. примерно
на порядок (над уровнем 10-10 Кл) и плавным возрастанием
интенсивности при увеличении напряжения. В случае пробоя
159
больших масляных промежутков и повреждения твердой изо-
ляции начальный скачок интенсивности ч. р. достигает 3—5 по-
рядков (кривые 1 и 2).
Уровни разрядов в трансформаторах, не имеющих дефектов,
измеренные до и после высоковольтных контрольных (напряже-
нием переменного тока) и типовых (импульсных) испытаний,
как и в трансформаторах первой группы, не отличаются друг
от друга, а гистерезис в зави-
симостях интенсивности ч. р.
от напряжения не наблюда-
ется.
Однако при некачественной
изоляции высоковольтные ис-
пытания могут ухудшать ее
состояние. Особенно показа-
тельно снижение напряжения
погасания ч. р. и появление ги-
стерезиса (рис. 6-12, кривая 2)
Отдых изоляции трансфор-
матора в течение длительного
времени (порядка суток) при-
водит к исчезновению гистере-
зиса и к уменьшению интенсив-
ности ч. р. (рис. 6-12, кри-
вая 3). Описанное явление
можно объяснить образова-
нием газовых пузырей, кото-
рые затем медленно растворя-
ются при отдыхе изоляции.
При испытательном напря-
жении иногда не удается пол-
ностью устранить корону на
ошиновке защитных шаров и
схемы подпорного напряжения.
Рис, 6-12, Изменения интенсивности
ч. р. при отклонениях от норм тех-
нологической обработки изоляции
трансформатора:
1 — перед высоковольтными испытаниями;
2— спустя 1 ч после высоковольтных ис-
пытаний; 3 — спустя 24 ч после высоко-
вольтных испытаний
В этом случае при использовании осциллографа для визуального
выделения внутренних разрядов на фоне помех удается реги-
стрировать ч. р. интенсивностью 10~7—10-6 Кл.
При появлении стримерной короны на экранах с большим
радиусом закругления интенсивность ее достигает 10~5 Кл и
более, что полностью исключает возможность регистрации ч. р.
Некоторые виды ч. р. могут быть выявлены в трансформа-
торах только при выдержке напряжения в течение определен-
ного времени. Так, при испытании трансформатора с ползущим
разрядом (рис. 6-11, кривая 2) при выдержке под рабочим на-
пряжением в течение 30 мин ч. р. были зарегистрированы
только на 21-й минуте в виде вспышки интенсивности.
В табл. 6-1 [44] приведены уровни интенсивности ч. р., из-
меренные на большом количестве трансформаторов класса
160
220—500 кВ без разделения ч. р. по виду импульсов на экране
осциллографа на разряды внутри изоляции и внешние помехи.
При измерениях под уровнем интенсивности понимался, макси-
мальный кажущийся заряд
ч. р., зарегистрированный при
данном испытании данной фа-
зы трансформатора.
Различная степень опасно-
сти ч. р., возникающих в раз-
ных местах изоляции силовых
трансформаторов, приводит к
тому, что при испытании транс-
форматоров на ч. р. весьма
важным является не только ве-
личина кажущегося заряда
ч. р., но и характер (динами-
ка) изменения характеристик
ч. р. при подъеме и спуске на-
пряжения, а также при прове-
дении испытаний. Особое вни-
мание следует обращать на
явление гистерезиса (рис. 6-13)
[31, 66], а также на уменьше-
ние напряжения возникнове-
ния ч. р. определенной ин-
тенсивности после воздейст-
вия напряжения.
Эти обстоятельства могут
Рис. 6-13. Петля гистерезиса при
измерении интенсивности ч. р.
(Уч.р в мкВ измерителем радио-
помех
I7max—наибольшее напряжение, при-
ложенное к модели; U3— напряжение
возникновения ч. р.; J7n—напряжение
погасания ч. р.; —наибольшая
интенсивность ч. р., еще не вызываю-
щая остаточных повреждений; С7Кр —
напряжение возникновения разрушаю-
щих ч. р.; t/Kp, п— напряжение пога-
сания разрушающих ч. р.
свидетельствовать о возможных повреждениях изоляции сило-
вых трансформаторов, в ряде случаев необратимых.
Таблица 6-1
Характерные значения интенсивности ч. р. в трансформаторах'220—500 кВ,
измеренные при напряжениях 1—1,5 Уф. раб. наиб
Условия и результаты измерений Класс напряжения, кВ
220 330 500
Напряжение, при ко- тором производи- лись измерения, раб. наиб ' 1,о 1,5 1,0 1 Л ..If 1,0 В 1,4
Количество испытан- ных фаз 17 10 13 13 18 11
Интенсивность ч. р., Кл: наибольшая .... 8, ЗЛО - 9 6,5.10—8 2,5.10-8 1,3-10—7 8,6-10—9 9,6-10—9
наименьшая .... 5-10—11 7-10—10 1,7-10—10 3 10—10 8-10—11 8-10—11
средняя 7-10—10 9,3-10—9 3,9.10—9 2-10—8 5-10—10 3,4-10—9
6
Г. С. Кучинский
161
Необходимо отметить, что явление гистерезиса может на-
блюдаться не только при испытании маслобарьерной или бу-
мажно-масляной изоляции (рис. 6-7, 6-14), но и при испытании
искровых промежутков в масле (рис. 6-15) [66]. Поэтому по-
вышение уровня ч. р. при напряжении, близком к номиналь-
Рис. 6-14. Зависимость 1/ч.р
от приложенного напряже-
ния при наличии масляного
клина между электродами I
и твердым диэлектриком
(картоном) II, г=20 мм,
£>=210 мм, d = 8 мм
1 — новая модель; 2 — через
10 мин после первого измере-
ния; 3 — через 30 мин после
второго измерения; 4 — через
16 ч после третьего измерения
Рис. 6-15. Зависимость £/'ч.р
от приложенного напряже-
ния; острие I с углой 90°
(радиус закругления конца
1 мм) против заземленной
плиты, d=156 мм, £>=210 мм
1 — новая модель; 2 — через
10 мин после первого изме-
рения; 3 — через 17 ч после
второго измерения
ному, непосредственно после приложения испытательного напря-
жения не является бесспорным доказательством повреждения
изоляции. Для получения более убедительных доказательств
разрушения изоляции желательно подтвердить повышение ха-
рактеристик ч. р. через 15 ч после испытания. Если гистерезиса
!нет,.то можно предполагать отсутствие повреждения изоляции
даже при наличии ч. р.
.162
По измерениям ч. р. в трансформаторах могут быть обнару-
жены следующие дефекты: воздушные включения и полости,
недостаточная сушка, наличие посторонних предметов, недобро-
качественность изоляционных материалов, плохо закругленные
металлические детали, не-
качественное наложение
изоляции, масляные про-
слойки, находящиеся при
чрезмерно высоких напря-
женностях, плохие соедине-
ния. Дефекты в трансфор-
маторах определяются по
следующему критерию: при
испытательном напряже-
нии уровень ч. р., измерен-
ный измерителем помех
(ИП) и приведенный к вы-
соковольтному выводу
трансформатора, должен
быть менее 1000 мкВ. В ка-
честве примера на рис. 6-16
и 6-17 приведены характер-
ные зависимости показания
ИП от напряжения, из ко-
торых следует, что в де-
фектных трансформаторах
уровень ч. р. существенно
превышает 1000 мкВ. Были
выявлены наличие влаги
в изоляции, недостаточное
сжатие обмотки, плохая
обработка мест спайки со-
единений обмотки, недоста-
точное расстояние до бака
(рис. 6-16), плохая про-
питка маслом, недостаточ-
ная изолировка высоко-
вольтных отводов (рис.
6-17), дефект в витковой
изоляции в обмотке. В ра-
боте отмечается, что не-
смотря на значительные
Рис. 6-16. Результаты испытания
трансформаторов 230 и 345 кВ иа
ч. р.
1 — наличие влаги в изоляции; 2 —недо-
статочное сжатие обмотки; 3 — плохая
обработка мест спайки соединений об-
моток; 4 — недостаточное расстояние до
бака
Рис. 6-17. Результаты испытания транс-
форматора на ч. р. с плохой пропиткой
маслом
Ущ- уровень шумов
уровни ч. р. при испыта-
тельном напряжении, во многих дефектных трансформаторах
при напряжении, близком к рабочему или незначительно пре-
вышающем его, уровень ч. р. не превышал 100 мкВ.
Пробой масляного канала в маслобарьерной изоляции пред-
ставляет собой ч. р. интенсивностью порядка 10~7—10-5 Кл.
6*
163
Рис. 6-18. Модель маслобарьер-
ной изоляции середины обмотки:
а—.ширина радиального масляного
канала у обмотки; h — ширина меж-
дукатушечного канала; — толщина
изоляция на катушке на сторону
Однако вследствие необра-
тимых повреждений твер-
дой изоляции в виде вет-
вистых черных побегов,
возникающих при таком
ч. р., напряжение пробоя
масляного канала принято
отождествлять с напряже-
нием, характеризующим
электрическую прочность
(пробой) маслобарьерной
изоляции.
Исследования электри-
ческой прочности масляных
каналов в маслобарьерной
изоляции, определяющие
кратковременную электри-
ческую прочность изоля-
ции, проводились на моде-
лях, конструктивно пред-
ставляющих собой подобие
главной изоляции транс-
форматоров с расстоянием
между обмотками 40 мм
[38]. Для исследования
средней части обмотки ис-
пользовалась модель, изо-
браженная на рис. 6-18. Мо-
дели изготовлялись по нормам заводской технологии вакуумной
сушки и пропитки маслом. Расчетная напряженность в середине
масляного канала определялась по формуле (6-1). В моделях из-
менялась ширина dM масляного канала у обмотки от 6 до 24 мм
(при постоянном канале между катушками /г=10 мм и тол-
Рис. 6-19. Зависимость минимальной
пробивной напряженности от ширины
масляного канала у обмотки (изоля-
ция на катушках 0,7 мм на сторону)
при одноминутном воздействии на-
пряжения промышленной частоты
164
щине изоляции на катушках Дб = 0.7 мм). Для каждого размера
канала и каждого вида узла дистанцирования испытывалось
от 9 до 14 моделей. На рис. 6-19 приведена зависимость мини-
мальной напряженности пробоя ближайшего к обмотке масля-
ного канала Д.к.пртш от его ширины dM. Кривая построена
как огибающая минимальных экспериментально полученных
значений. Полученная зависимость хорошо может быть пред-
ставлена следующей формулой: £м. к. прт1п = 15 + 67/]/^м, где
Дм. к. пр min — в кВ/см; dM — ширина канала, см, при 0,6^dM^
^3,0 см.
Как следует из рис. 6-19, уменьшение ширины масляного
канала, ближайшего к обмотке, с 24 до 10 мм увеличивает его
пробивную напряженность примерно на 40%.
6-3. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
В МАСЛОБАРЬЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
При импульсных воздействиях ввиду их кратковременности
ч. р. представляют меньшую опасность, чем при напряжении
промышленной частоты. Обычно заметные следы на твердой
изоляции оставляют единичные ч. р. с кажущимся зарядом
10~6 Кл и более, и при воздействии импульсных напряжений
могут быть допущены ч. р. с уровнем до 10~7 Кл. По данным
(34] этот уровень допустимых ч. р. составляет 10-8 Кл.
Такие ч. р. при кратковременном воздействии вызывают об-
ратимые изменения, например вытеснение масла из твердого
диэлектрика вдоль пути разряда. Через некоторое время следы
исчезают, пропитка маслом и прочность изоляции восстанав-
ливаются. При ч. р. большой интенсивности возникают ветви-
стые черные побеги. Возникают опасения, могут ли ч. р., воз-
никшие при перенапряжениях, быть подхвачены рабочим на-
пряжением и привести к разрушению изоляции. Исследования
не подтвердили возможность такого явления при реальных со-
отношениях между опасными перенапряжениями и рабочим
напряжением.
Результаты исследований ч. р. при импульсах различной
формы на образцах маслобарьерной изоляции приводятся
в [22, 45].
Изоляционное расстояние между обмотками в моделях со-
ставляло от 20 до 40 мм. Ширина масляного канала, прилегаю-
щего к обмотке и дистанцированного с помощью рейки, равня-
лась 10 мм. Образцы испытывались при импульсах 1,5/40 мкс
и коммутационных импульсах следующей формы: затухающий
колебательный импульс /=300 Гц и 2 кГц, колебательный им-
пульс / = 50 Гц длительностью 1 период и 5 периодов, униполяр-
ный импульс 100/1000 мкс и 500/1000 мкс (рис. 6-20). Ч. р. фик-
сировались с помощью осциллографирования тока с омического
165
шунта с сопротивлением 10 Ом, включенного последовательно
с испытуемым образцом. На осциллограмме четко регистриро-
вались ч. р. с интенсивностью 10-8 Кл. Была принята 5- или
10-ударная методика испытаний: напряжение увеличивалось
ступенями от 0,5 ожидаемого напряжения пробоя масляного
канала £/м.к.пр по 0,1 1/м.к.пр с подачей 5 или 10 импульсов на
каждой, ступени.
Измерения показали, что единичный искровой пробой масля-
ного канала в испытанных моделях, оставляющий на электро-
картоне светлый след, имеет интенсивность 10-7—10-6 Кл. При
этом происходил также, как. правило, видимый пробой масля-
Рис. 6-20. Осциллограммы апериодических и колебательных импуль-
сов, имитирующих коммутационные перенапряжения
а — затухающий колебательный импульс, f—2 кГц; б — униполярный им-
пульс 100/1000 мкс; в — колебательный, /=50 Гц, длительностью 1 период;
а —затухающий колебательный импульс, f=3D0 Гц; д — униполярный им-
пульс 500/1000 мкс; « — колебательный импульс, f=50 Гц, длительностью
5 периодов
ноГо канала. При испытании некоторых образцов вспышка про-
боя не была замечена. В этих случаях 1/м. к-пр определялось
напряжением той ступени, на которой впервые появились им-
пульсы ч. р. с интенсивностью 10-6 Кл. По зафиксированному
в опытах напряжению определялась расчетная напряженность
в масляном канале по формуле (6-1).
Исследование образцов при воздействии коммутационных
импульсов' различной формы показало слабую зависимость
электрической прочности маслобарьерной изоляции от формы
импульса при их одинаковой длительности.
Результаты испытаний образцов приведены в табл. 6-2, где
Даны средние значения повреждающей напряженности элект-
рического поля в ближайшем к обмотке масляном канале.
-В' этой же таблице для сравнения приведены результаты испы-
таний образцов при одноминутном, напряжении промышленной
-частоты.I-й. соответствующие коэффициенты импульса для иа-
пряжениостей, соответствующих пробою масляного канала.. ,
366
Результаты исследования характеристик образцов масло-
барьерной изоляции при воздействии колебательных импульсов
о частотой 50 Гц длительностью 0,4 с и апериодических
600/1600 мкс (рис. 6-21) приведены в [33, 38]. Для образцов изо-
ляции середины обмотки были получены зависимости мини-
мальной пробивной напряженности масляного канала Ем.к. пр min
от его ширины dM. Эти зависимости могут быть представлены
следующими формулами:
б)'
Рис. 6-21. Характерные осциллограммы импульсов, экви-
валентных коммутационным перенапряжениям: а — колеба-
тельный импульс с частотой 50 Гц и длительностью 0,4 с;
б — апериодический импульс 600/1600 мкс, период градуи-
ровочной кривой 100 мкс
при воздействии колебательных импульсов с частотой
50 Гц Ем. к. пр пип = 41 +107 и при воздействии апериодиче-
ского импульса 600/1600 мкс Нм. к.прmin = 56 + 115/]/dM. где
Дм. к, пр min — в кВ/см; dM—В см (0,6^dM^3,0 см).
Значения коэффициентов импульса для напряженностей, со-
Таблица 6-2
Результаты испытаний образцов маслобарьерной изоляции
Вид напряжения £м. к. пр* кВ/см Коэффициент импульса
середина обмотки край обмотки
• Одиом'нцу1ное - 50 Гц - (действующее И» значение) Коммутационный колебательный или апериодический импульс ... Апериодический импульс 1,5/40 мкс 90 178 240 60 118 160 1 1,4 1,9
П ри м е ч:а няс £м. к.-пр — пробивная Напряженность мае лЯиого канала.
167
ответствующих пробою масляного канала, при разных формах
воздействующих напряжений приведены в табл. 6-3.
При испытании моделей изоляции края обмотки при воздей-
ствии импульсов 1,5/40 мкс [32] были получены значения коэф-
фициентов импульса, лежащие в пределах от 1,87 до 2,08.
Таблица 6-3
Коэффициенты импульса для образцов
изоляции середины обмотки
при разных формах воздействующих
напряжений
Ширина масляного канала, мм Форма импульса
1,5/40 мкс 600/1600 мкс / = 50 Гц, 0,4 с
10 24 1,9 2,1 1,48 1,58 1,28 1,34
Приведенные данные по испытанию образцов маслобарьер-
ной изоляции достаточно хорошо согласуются между собой.
6-4. РАЗРУШЕНИЕ МАСЛОБАРЬЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ЧАСТИЧНЫМИ РАЗРЯДАМИ
Электрическое старение маслобарьерной изоляции заключа-
ется в том, что в результате начальных ч. р. малой интенсив-
ности происходит разложение масла, сопровождающееся выде-
лением газа (главным образом, водорода) и образованием тя-
желых смолистых веществ, частично выпадающих из масла и
оседающих на поверхности изоляционных деталей или на дне
бака в виде черного шлама. Образование газа опасно тем, что
он может скапливаться в таких узлах изоляции, откуда выход
пузырей затруднен. С течением времени газовый пузырь может
достичь таких размеров, что в нем самом начнутся ч. р. высо-
кой интенсивности, которые будут способствовать дальнейшему
газовыделению и могут разрушить твердую изоляцию. Образо-
вание шлама, частично растворяющегося в масле, частично
оседающего на поверхности изоляции, опасно тем, что увеличи-
вается tg б изоляции в целом и ухудшается отвод тепла с по-
верхности изоляции.
Интенсивность слабых начальных ч. р. в маслобарьерной
изоляции лежит в пределах от 10-12 до 10-10 Кл. Если эти раз-
ряды происходят даже вблизи открытой поверхности бумаги и
картона, с их воздействием на твердую изоляцию можно не
168
считаться. Весьма длительное (в течение нескольких лет) воз-
действие начальных ч. р. на бумагу и картон приводит только
к отложению на поверхности нерастворимого шлама (Х-воска).
При этом изоляция остается вполне работоспособной.
Более интенсивные ч. р. на уровне 10~9—10-8 Кл чаще всего
возникают при пробоях масляной прослойки, узкого масляного
клина или газовых пузырей с диаметром более 1 мм. Такие
повторяющиеся пробои вызывают обильное газовыделение и
развитие ч. р. вдоль поверхностей картона или в его толще. При
этом возможно появление сильно разветвленного обугленного
канала по поверхности или в толще электрокартона, захваты-
вающего большие поверхности (десятки квадратных децимет-
Рис. 6-22. Фотография прокладки со следами ползущего
разряда
ров) и получившего название «ползущего разряда». На
рис. 6-22 приведена фотография изоляционной прокладки, на-
ходившейся в зоне развития такого разряда.
Ползущий разряд развивается, как правило, в узкой щели
между двумя прижатыми друг к другу поверхностями изоля-
ционных деталей или в толще электрокартона между его сло-
ями. Разрядный канал закорачивает узкий масляный зазор,
например между выступающим переходом обмотанного изоля-
цией провода и картонным цилиндром. Этот разрядный канал
имеет высокую температуру, при которой может возникнуть
обугливание картона вдоль канала. Его можно рассматривать
как проводник, на конце которого резко увеличивается напря-
женность электрического поля и образуются новые пробои
в масле, новое обугливание картона и т. д. Весь процесс раз-
вивается длительно и имеет пульсирующий характер: при про-
бое нового участка возрастает ток, с ростом тока увеличивается
падение напряжения в канале и падает напряжение на продви-
гающемся конце канала. При этом поле у конца ослабевает
и пробои масла прекращаются. Соответственно уменьшается
падение напряжения на обугленном картоне и вновь возрастает
напряженность поля у конца канала разряда. Для продвижения
ползущего разряда большое значение имеют газовые пузыри,
образовавшиеся у конца канала за счет разложения масла.
Энергия, переданная электронами стримера молекулам жидко-
сти, расходуется в основном на увеличение кинетической энер-
169
гйи молекул жидкости, т. е. на повышение температуры. Когда
последняя достигнет температуры кипения, произойдет местное
вскипание жидкости и образование высокопроводящего канала
лидера в газе (плазмы) с весьма малым падением напряжения.
Такой канал ограниченной длины вызывает резкое увеличение
напряженности поля у его границы и возникновение более ин-
тенсивных скользящих разрядов по поверхности изоляционного
барьера. Там, где канал разряда, имеющий высокую темпера-
туру, касается поверхности изоляционного барьера (электро-
картона, изоляционной бумаги), масло, пропитывающее картон
или бумагу, испаряется и образуются белые побеги, исчезаю-
щие вскоре после прекращения разряда.
Если энергия, выделяющаяся в канале разряда, достаточно
велика, то температура канала может достигнуть 2—3 тыс. гра-
дусов, в результате чего на поверхности изоляции, по которой
развивается разряд, возникают обуглившиеся следы в виде
ветвистых черных побегов.
Оценим интенсивность ч. р., приводящих к тем или иным
разрушениям на поверхности изоляции.
Поскольку температура интенсивной термической деструкции
картона лежит в интервале 275—400° С, можно принять тем-
пературу картона в месте повреждения ч. р. равной 350—380° С.
Энергия, необходимая для нагревания картона в месте ч.р.,
и7г = щкскД7’, где /ик —масса обуглившегося картона; ск — теп-
лоемкость картона; &Т —300 К — разность температур.
Как показывает анализ повреждений изоляции силовых
трансформаторов; суммарная, длина обугленных дорожек в на-
чальной стадии разрушения примерно равна 1 см, сечение —
около 10~4 см2, а масса обуглившегося картона — приблизи-
тельно IO-4 г. Энергия, израсходованная на нагревание этого
объема бумаги на 300° С, составляет ~0,1 Дж. Если предпо-
ложить вследствие кратковременности процесс нагревания адиа-
батическим и пренебречь теплоотводом от места возникновения
ч. р., то энергия ч. р., приводящая к обугливанию принятого
объема картона, равна также 0,1 Дж. Для изоляции силовых
трансформаторов класса 220 кВ это соответствует кажущемуся
заряду ч. р. £/ч. р = 3• 10“7—10~6 Кл.
По экспериментальным данным в силовых трансформаторах
при рабочем напряжении имеют место ч. р. с кажущимся заря-
дом от 3-10~12 до 3-10-9 Кл.
Анализ показывает, что длительное существование ч. р. с ин-
тенсивностью 10“'1—10-10 Кл при рабочем напряжении не при-
водит к заметным повреждениям изоляции и, по-видимому,
является безопасным. Длительное существование (в течение де-
сятка часов и более) ч. р. с интенсивностью 10~7—10~8 Кл при-
водит к появлению следов на картоне; несколько импульсов
с интенсивностью 10-7—10~6 Кл вызывают обугливание кар-
тона [23].
170
Газов ы деление в результате разрушения
изоляции. В результате воздействия ч. р. на масло и твер-
дую изоляцию возникает разложение изоляции с выделением
газа. В начальной стадии повреждения выделение газа доста-
точно слабое, и весь газ растворяется в масле. В [58] показано,
что при различных повреждениях трансформатора состав раст-
воренного и выделяющегося газа может существенно разли-
чаться. Анализ газа (хроматография, масс-спектрометрия) поз-
воляет установить эти различия.
Повреждения в трансформаторах могут быть разбиты на
следующие виды.
1. Дуга в масле без участия твердых изоляци-
онных материалов. В состав выделившегося газа вхо-
дят: водород — 60—80% по объему, ацетилен — 10—25%, ме-
тан— 1,5—3,5%, этилен — 1—2%. Остаток состоит из воздуха,
растворенного в масле. Характерно отсутствие существенных
количеств углекислого газа и окиси углерода.
2. Искровые разряды в маслобарьерной изо-
ляции. Газ также содержит большие количества водорода,
ацетилена, метана (несколько выше, чем в случае 1) и окиси
углерода (15—25% по объему).
3. Слабые ч. р. в маслобарьерной изоляции. Вли-
яние температуры менее значительно и образуется в основном
водород с добавками метана, окиси углерода и углекислого
газа. Ацетилен отсутствует.
4. Термическое разложение масла. Начинается
при температуре выше 400° С, образуются низкомолекулярные
углеводороды, этан, этилен и водород. При температуре выше
600° С газ состоит главным образом из метана и водорода.
В присутствии воздуха образуется также углекислый газ, кото-
рый разлагается при высоких температурах.
5. Термическое разложение маслобарьерной
изоляции. При температуре выше 500° С образуется в ос-
новном углекислый газ, в меньшем количестве — окись угле-
рода и водород.
Во всех случаях, особенно при быстро развивающемся де-
фекте, газы, слабо растворимые в масле (см. табл. 4-1), обна-
руживаются в объемах над поверхностью масла (например,
в газовых реле), а газы, обладающие большей раствори-
мостью,— обнаруживаются в масле.
В случае возникновения повреждения с длительным, но сла-
бым выделением газа, можно сделать следующие выводы отно-
сительно газа, растворенного в масле. Относительно большое
количество насыщенных и ненасыщенных углеводородов (но не
ацетилена С2Н2) в сочетании с небольшим количеством водо-
рода показывает на тепловое разложение масла вследствие пе-
регрева металлических частей. Наличие СО2 и СО свидетель-
ствует о разложении целлюЛозы твердой изоляции. При этом
m
обычно понижается содержание кислорода и азота.
Если состав газа аналогичен, но имеет более высокое содер-
жание СО, СО2 и Н2, то это указывает на сильный местный
перегрев, сопровождаемый термическим разложением масла.
Если количество СО2 в 10—20 раз больше, чем СО, а раз-
ложения других газов не наблюдается, то имеет место термиче-
ское разложение целлюлозы. При высоких температурах обна-
руживается небольшое количество водорода.
Появление Н2 и небольших количеств С2Н4 и СО2 харак-
терно для ч. р. В случае слабого искрения обнаруживается не-
большое количество ацетилена.
При воздействии разрядов на поверхность пропитанной мас-
лом бумаги в системе электродов игла — плоскость при напря-
жении, равном 1,2 от напряжения возникновения разрядов, газ
выделялся непрерывно [62]. Различаются две области разруше-
ния: первая область в верхних слоях бумаги вблизи иглы и вто-
рая область — при возникновении пробоя в слоях вблизи пло-
скости. Объем газа, образовавшегося в течение времени разру-
шения первой области, составляет около 98% общего объема
газа.
Количественный анализ газа (% объема), образовавшегося::
в первой области
во второй области
О2 —0,5 СО—1,7
N2 —2,7 С2Нв—1,0
СН4 —2,8 С2Н4—1,6
Н2 —79,6 С2Н2—11,3
СН4 —4,7
СО— 16,8
С2Н8-0,6
С2Н4 —7,3
С2Н2 - 40
Н2 —30,6
Эти данные показывают, что при переходе от ч. р. к полному
пробою значительно увеличивается содержание СО (в 10 раз),
С2Н2 и С2Н4 (в 4—6 раз).
Таким образом, анализ газов может достаточно хорошо сви-
детельствовать о протекании тех или иных процессов разложе-
ния изоляции в силовых трансформаторах.
6-5. ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ
МАСЛОБАРЬЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
И ДОПУСТИМЫЕ НАПРЯЖЕННОСТИ
Определение длительной электрической прочности масло-
барьерной изоляции наталкивается на значительные трудности.
Это связано с тем, что электрическая прочность этой изоляции
весьма слабо снижается с увеличением длительности воздейст-
вия. В связи с этим незначительное снижение напряжения вы-
держки приводит к резкому увеличению времени выдержки до
пробоя.
На рис. 6-23 [22] приведена зависимость относительного зна-
чения повреждающего напряжения от длительности воздейст-
вия, полученная на моделях маслобарьерной изоляции типа
172
МБИС (рис. 6-8, а) и МБИК (рис. 6-8,6). Как следует из этого
рисунка, снижение напряжения выдержки на 10—15% ниже од-
номинутного пробивного напряжения приводит к увеличению
времени выдержки до пробоя, (срока службы) от 1 мин до
100 ч. При сроках службы от 10-1 с до десятков минут пробой
канала не подготавливается предварительными ч. р. с интен-
сивностью менее 10~7 Кл. На участке от десятков минут до
100 чв ряде случаев при выдержке моделей в течение 104—105 с
был отмечен рост интенсивности ч. р. в процессе выдержки.
Рис. 6-23. Зависимость относительной повреждающей напря-
женности от длительности воздействия
Т<Г0,1 с — апериодические и колебательные импульсы; т>0,1 с — пере-
менное напряжение частотой 50 Гц; о — модели средней части об-
мотки; 4— модели края обмотки
Однако последующие испытания аналогичных моделей при вре-
менах выдержки до 100 ч не подтвердили роста интенсивности
ч. р. в процессе выдержки и перед пробоем. При временах вы-
держки от 1 мин до 100 ч нарушение прочности маслобарьер-
ной изоляции не связано с какими-либо длительными, подготав-
ливающими пробой процессами. По данным [34] относительная
прочность маслобарьерной изоляции при временах выдержки
от 1 мин до 100 ч уменьшается приблизительно на 15%.
Для зависимости (7Пр от времени выдержки т может быть
предложена формула:
=у, (6.4)
где а по данным различных авторов лежит в пределах от 55
до 74.
При определении допустимых напряженностей электриче-
ского поля при кратковременных воздействиях в изоляции си-
173
ловых трансформаторов на основании испытания моделей можно
пользоваться методикой, предложенной в [38]. По этой методике
в зависимости £м. к.пртш вводится поправочный коэффициент,
учитывающий небольшое количество опытов, использованных
для получения этой зависимости; меньшие по сравнению с ре-
альным трансформатором размеры образца (с учетом распре-
деления напряжения по обмотке реального трансформатора и
ограниченности зоны с предельными напряженностями электри-
ческого поля); возможные отклонения в размерах элементов
изоляции.
Интервал между £м. к. пр min и напряженностью при одноми-
нутных испытаниях напряжением промышленной частоты £исп
может быть принят 15%, т. е. £ИСп = 0,85£м. к. пр min.
Например, для конструкции изоляции середины обмотки
с масляным каналом 10 мм допустимая напряженность в масля-
ном канале при одноминутном воздействии напряжения 50 Гц
равна 70 кВ/см, при воздействии внутренних перенапряжений —
140 кВ/см и при воздействии атмосферных перенапряжений —
190 кВ/см. £исп является допустимой суммарной напряжен-
ностью с учетом осевого поля обмотки, причем осевая составляю-
щая напряженности должна определяться отдельно, например
по картине поля обмотки для момента времени, соответствую-
щего максимальной напряженности в ближайшем к середине
обмотки канале.
Допустимые напряженности при кратковременных воздей-
ствиях могут быть определены также на основании статисти-
ческого разброса характеристик маслобарьерной изоляции.
С достаточной степенью надежности (более 0,99) допустимая
напряженность может быть определена по формуле
^исп = (^м. к. пр ЗсТд),
где £м. к. пр и ав — средняя пробивная напряженность и средне-
квадратичное отклонение напряженности пробоя масляного ка-
нала; ks — коэффициент, учитывающий различие в площадях
электродов модели и эквивалентного электрода для обмотки
(с учетом распределения напряжения по обмотке).
Учитывая, что при одноминутном приложении напряжения
50 Гц в случае заземленной нейтрали в области достаточно вы-
соких напряженностей находится приблизительно 0,15 длины
обмотки, и принимая <Те/£м. к.пр=0,08 имеем £Исп=0,7£м. к.Пр,
что в итоге практически совпадает с рекомендациями по [38].
Допустимая напряженность при рабочем напряжении для
маслобарьерной изоляции в настоящее время может быть оп-
ределена ориентировочно, исходя из ряда соображений: отсут-
ствия ч. р. с кажущимся зарядом более 10-10 Кл, исследования
длительной электрической прочности маслобарьерной изоляции
с учетом электротермоокислительного старения, отсутствия га-
зовыделения в масле (увеличение газосодержания масла) за
174
счет процессов при воздействующих напряженностях. Этим ус-
ловиям соответствует допустимая средняя, напряженность в мас-
ляном канале от 30 до 50 кВ/см в зависимости от ряда кон-
структивных и технологических характеристик изоляции.
6-6. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ
Особенности схем регистрации. Измерение харак-
теристик ч. р. в силовых трансформаторах может быть произве-
дено по схемам, изображенным на рис. 6-24. Схема рис. 6-24, а
(метод нейтрали) наиболее простая, однако, учитывая затуха-
ние импульса от ч. р. при распространении по обмотке, эта
схема наиболее чувствительна к ч. р. у нейтрали и менее чув-
ствительна к ч. р. у высоковольтного ввода обмотки, где напря-
жение на главной изоляции наибольшее.
Рис. 6-24. Схемы измерений характеристик ч. р. в силовых трансформато-
рах: а — метод нейтрали; б — с соединительной емкостью; в — метод пер-
вой обкладки; г — метод второй обкладки; <3 — метод обмотки НН
Схема рис. 6-24, б (с соединительной емкостью) наиболее
чувствительна к ч. р. у высоковольтного ввода обмотки, однако
требует наличия высоковольтного конденсатора на требуемое
испытательное напряжение, лишенного собственных ч. р., с ем-
костью, соизмеримой со входной емкостью обмотки трансфор-
матора при соответствующих высоких частотах, используемых
в ИУ.
Схема рис. 6-24, в (метод первой обкладки) использует в ка-
честве соединительной емкости емкость ввода трансформатора.
Однако не всегда эта емкость имеет значение, обеспечивающее
максимальную чувствительность схемы. Для использования
этого метода ввод трансформатора должен иметь возможность
разземлять первую обкладку.
175
Схема рис. 6-24, г (метод второй обкладки) также исполь-
зует емкость ввода в качестве соединительной емкости, однако
в этом случае система емкостей ввода представляет собой ем-
костный делитель, уменьшающий напряжение относительно вы-
соковольтного ввода обмотки в п раз, где п=С1/(С1 + Са)
Ci — емкость стержня ввода относительно второй обкладки,
к которой присоединяется ИУ, а С2— емкость между первой и
второй обкладками (нумерация обкладок от фланца). Так как
C2^>Ci, то ослабление амплитуды сигнала от ч. р. достаточно
значительно. Однако при этом возрастает длительность сигнала
(увеличивается эквивалентная емкость относительно входа ИУ
и соответственно постоянная времени импульса). Кроме того,
обычно чувствительность схемы ограничивается шумами схемы
и короной на испытуемом трансформаторе, и ослабление сиг-
нала происходит в одинаковой степени как от ч. р., так и от по-
мех (короны). Это приводит к тому, что обычно чувствитель-
ность при измерениях по схеме рис. 6-24, г не хуже, чем по
другим схемам.
Схема рис. 6-24, д (метод обмотки низшего напряжения)
использует в качестве соединительной емкости емкость между
обмотками высшего и низшего напряжений. Так как в этом
случае емкость распределена вдоль обмотки, эта схема обла-
дает близкой чувствительностью к ч. р. во всех точках обмотки
ВН, если эта обмотка состоит из одного концентра. Однако
эта емкость (учитывая ее распределенность по длине об-
мотки) может не обеспечивать максимальную чувствительность
схемы.
В большинстве случаев чувствительность схем регистрации
для всех рассмотренных случаев приблизительно одинакова.
ИУ могут быть использованы с широкополосными или ре-
зонансными (узкополосными) усилителями. Широкополосные
ИУ чаще всего имеют полосу пропускания от 104 до 105—
10® Гц. В качестве измерительного элемента используется ак-
тивное сопротивление /?=100—1000 Ом. Обычно R выбирается
из условия, использования около 90% энергии импульса по со-
отношению (2-28).
Резонансные усилители обычно имеют ширину полосы про-
пускания 8—10 кГц. Резонансная частота усилителя выбира-
ется как по условиям минимума помех, так и из соображений
наименьшего затухания сигнала при его распространении вдоль
обмотки трансформатора. Вместо резонансного ИУ может быть
использован ИП. Часто при использовайии резонансного ИУ
или ИП применяется схема рис. 2-16 с индуктивностью L\,
компенсирующей емкостное сопротивление соединительного кон-
денсатора для резонансной частоты настройки ИУ.
При использовании резонансных ИУ за счет большей поме-
хоустойчивости обеспечивается несколько большая чувстви-
тельность, но при этом затруднен счет числа импульсов ч. р.
176
вследствие колебательного характера каждого единичного им-
пульса (см. гл. 2).
При измерениях ч. р. в трансформаторах большое значение
приобретает правильный выбор ширины полосы пропускания
широкополосного усилителя и диапазона частот настройки уз-
кополосного усилителя.
Обмотка трансформатора обладает рядом резонансных ча-
стот, причем эти частоты различны для различных конструкций
Рис. 6-25. Характерная частотная характеристика транс-
форматора
трансформаторов. Определение этих частот расчетным путем
практически невозможно и поэтому кривые, представляющие
зависимость полного входного сопротивления обмоток zTp от
частоты (частотные характеристики обмоток) обычно опреде-
ляются экспериментально. В качестве примера на рис. 6-25
приведена частотная характеристика одного из типов трансфор-
маторов. Ряд подобных зависимостей показал наличие несколь-
ких резонансных частот, не совпадающих у различных транс-
форматоров. Однако общий ход зависимости гтр от f по суще-
ству одинаков у всех обмеренных трансформаторов.
В диапазоне частот от 50 до 103 Гц сопротивление обмоток
определяется основной индуктивностью намагничивания и рас-
тет с увеличением частоты. В диапазоне частот от 10s—104 до
106 Гц начинает сказываться емкость обмоток и полное сопро-
177
тивление уменьшается с ростом частоты. При частотах выше
106 Гц сопротивление опять увеличивается за счет индуктив-
ностей различных соединений и отводов.
Наиболее удобной для измерения интенсивности ч. р. сле-
дует считать такую частоту, при которой, с одной стороны, со-
противление обмотки достаточно мало (нет большого затухания
сигнала), и с другой стороны, нет резонансных явлений, так как
при появлении резонанса измерения становятся неустойчи-
выми, существенно меняются от одного трансформатора к дру-
гому при тех же характеристиках ч. р., что не дает возможности
сравнивать результаты даже на однотипных трансформаторах.
Изложенным требованиям наилучшим образом отвечает диапа-
зон частот от Ю5 до 106 Гц. В частности, можно использовать
частоту 106 Гц, рекомендуемую в устройствах NEMA (США) и
ERA (Англия). Следует отметить, что применяются также при-
боры, настроенные на низкие частоты (4—10 кГц).
В ряде случаев для регистрации ч. р. в трансформаторах ис-
пользуется акустический метод (см. гл. 2). При этом методе
чаще всего регистрируются низкочастотные колебания стенок
бака трансформатора, возникающие при ч. р., для чего исполь-
зуются индукционные (микрофон) или пьезоэлектрические пре-
образователи. Сигналы от них усиливаются и подаются на ин-
дикаторное устройство, в качестве которого может быть исполь-
зован осциллограф.
Акустический метод регистрации ч. р. в трансформаторах
основан на том, что ч. р. в масле вызывает ударную волну. Ча-
стотный спектр этого явления распространяется на звуковые и
ультразвуковые частоты, однако на практике обычно используют
ультразвуковую часть спектра. Это имеет следующие преиму-
щества: быстрое затухание сигнала в воздухе, ликвидация от-
ражений, возникающих вне бака, лучшая отстройка от посто-
ронних шумов. Чаще всего используются частоты 40—70 кГц.
Чувствительность этих схем может быть достаточно большой
и они позволяют регистрировать ч. р. с кажущимся зарядом от
50 пКл и более на расстоянии 1,5 м.
Однако этот метод имеет пониженную чувствительность
к ч. р. в газовых полостях.
Следует отметить, что для акустических преобразователей
характерно относительно большое время реакции на единичный
импульс (порядка миллисекунд), что существенно снижает раз-
решающую способность по времени (определение количества
импульсов ч. р.). Обычно в этом случае несколько импульсов
часто фиксируются как один импульс.
Затухание импульса частичного разряда при
его распространении по обмотке трансформа-
тора. Для главной изоляции трансформатора электродом,
к которому приложено полное напряжение, является обмотка.
Напряжение изменяется по длине обмотки, и на одинаковые
1.78
элементы главной изоляции, расположенные в разных местах,
воздействуют разные напряжения.
Кроме того, размер и форма импульса ч. р., регистрируе-
мого на одном из концов обмотки, зависит от места расположе-
ния ч. р.
Для трансформатора всю изоляцию нельзя представить од-
ной эквивалентной сосредоточенной емкостью, постоянной для
данного трансформатора, так как обмотка имеет распределен-
ные параметры (индуктивность, продольную емкость и емкость
Рис. 6-26. Эквивалентная схема замещения обмотки для расчета
прохождения импульса ч. р. (а), схема элемента, в котором про-
изошел ч. р. (б) и форма импульса на линейном конце обмотки (в)
на землю), которые нельзя не учитывать. Схема замещения об-
мотки с учетом этих элементов представлена на рис. 6-26, а.
Схема элемента Лх обмотки, в котором может происходить
ч. р. (либо в главной, либо в продольной изоляции), приведена
на рис. 6-26, б. На этом рисунке емкостями CBi или Св2 пред-
ставлены включения, т, е. места возможных ч. р., а емкостями
СД1 и СД2 диэлектрик, включенный последовательно с ме-
стом ч. р.
Емкости схемы рис. 6-26, а связаны с емкостями схемы рис.
6-26, б соотношениями
1 1,1 Дх 1,1
, — -)- и , — ,
СД1 СВ1 Cs Сд2 Св2
где C'g и C's — соответственно емкости элементов обмотки на
землю и продольные емкости между элементами обмотки (ка-
тушками или витками) в расчете на единицу длины обмотки.
179
Ч. р. в элементе Ах можно рассматривать как внезапное уве-
личине одной из емкостей C'st&x или C'g\x, или обеих одно-
временно до Сд2 или СД1 соответственно.
При этом в месте возникновения ч. р. (точка В на рис. 6-26,
а) возникает импульс напряжения с почти прямоугольным фрон-
том и быстро затухающим спадом, а также некоторой колеба-
тельной составляющей, вызванной собственными колебаниями
соседних витков обмотки (ячеек схемы рис. 6-26, б).
Этот импульс распространяется вдоль обмотки, затухает
и деформируется. Для этого импульса начальный скачок напря-
жения в точке В, равный AUB, с длиной фронта, соответствую-
щей длительности ч. р., связан с внезапным увеличением емко-
сти системы в точке В на
Си — Сд
СдСв
Сд + Съ
Сд+ Св
(6-5)
Передача по обмотке первой составляющей импульса —
скачка напряжения с почти прямоугольным фронтом происхо-
дит преимущественно емкостным путем: по цепочке емкостей
рис. 6-26, а, состоящей из емкостей C'g и C's. Затухание этой
составляющей импульса при распространении по обмотке мо-
жет характеризоваться коэффициентом s, равным отношению
скачка напряжения на линейном конце А обмотки при ч. р.
у этого же конца к скачку напряжения на линейном конце об-
мотки при ч. р. в какой-либо другой точке обмотки. Коэффи-
циент s равен
sh а
$ =--------------,
sh (1 — п) а
(6-6)
где п—х/1 — доля обмотки от линейного конца А до места воз-
никновения ч. р.;
<в-7)
C'g = C'gl — суммарная емкость обмотки на землю; Cs=C's/l —
эквивалентная продольная емкость обмотки; I—длина об-
мотки.
Коэффициенты s для заземленной нейтрали при различных
значениях а и п приведены в табл. 6-4.
Из рассмотрения табл. 6-4 следует, что скачок напряжения,
образующийся на линейном конце за счет прохождения фронта
импульса по системе емкостей обмоток Сg и C's, может быть
существенно меньше скачка напряжения в месте возникновения
ч. р., если последний произошел на большом расстоянии от ли-
нейного конца.
180
Амплитуда колебательной составляющей при распростране-
нии по обмотке изменяется значительно слабее, чем скачок на-
пряжения, что объясняется значительным влиянием взаимоин-
дукции между катушками
и витками обмотки.
Как показывают опыты,
обычно изменение ампли-
туды колебательной состав-
ляющей происходит в 3—
5 раз и в большинстве слу-
чаев не превосходит одного
порядка.
В импульсе напряже-
ния, вызванном ч. р. (см.
рис. 6-27) можно выделять
три составляющих [63]:
1) скачок напряжения
ис с крутым фронтом, рас-
пространяющийся по об-
мотке емкостным путем
(рис. 6-27, б), эта состав-
ляющая не имеет сдвига по
времени при распростране-
нии по обмотке;
Таблица 6-4
Значение коэффициента s,
характеризующего затухание первой
составляющей импульса
(скачка напряжения)
при распростраиеиии по обмотке,
для заземленной нейтрали
а = Доля длины обмотки от высоко- вольтного (линейного) конца до места возникновения ч. р.
- 1 Gg'Cs 0,75 0,50 0,25
0 4 2 1,3
1,5 5,6 2,6 1,6
3 12,2 4,7 2,1
6 95 20,2 4,5
12 8100 400 20
Примечание. На нейтральном
конце s = оо, на линейном конце s = 1.
2) электромагнитная волна иц (рис. 6-27, в), распространяю-
щаяся по обмотке с определенной скоростью; чем больше рас-
стояние между точкой возникновения ч. р. и выводом обмотки,
Рис. 6-27, Характерная форма напряжения на выводе обмотки,
вызванная ч. р. в обмотке (а) и три составляющих ис (б), Uh (s)
и Ui (г) этого напряжения
где подключено регистрирующее устройство, тем позже момент
возникновения иц',
3) колебательная составляющая щ (рис. 6-27, г), распро-
страняющаяся по обмотке главным образом за счет взаимной
индукции между катушками и витками обмотки.
181
Осциллографирование импульсов напряжения, возникающих
при ч. р., хорошо подтверждает наличие указанных трех со-
ставляющих.
Рис. 6-28. Схема измерения для изуче-
ния распространения импульсов, вызван-
ных ч. р. в обмотке
С, и Сг — емкости конденсаторных вводов;
Ср—емкость градуированного конденсатора;
$ — металлический экран (имитирующий об-
мотку НН); z — измерительный элемент; Г —
генератор импульсов
лученные по схеме рис. 6-28
при ч. р. на разных отпайках.
Масштабы: 10 мкс/дел. и 0,2
В/дел.
Определение места, возникновения
рядов в трансформаторах. Принципиально
определения места возникновения ч. р.
в
частичных р а з -
возможны три метода
>
обмотке.
Первый метод основан на ос-
цнллографировании емкостной со-
ставляющей импульса [63]. Прн
этом место возникновения ч. р. мо-
жет быть определено по отноше-
нию емкостных составляющих, из-
меренных на обоих концах об-
мотки, так как
соответствии с
зависит только
новения ч. р. и
интенсивности.
Второй метод основан на ос-
цнллографированин волновой со-
ставляющей импульса. В этом
это отношение в
равенством (6-6)
от места возник-
не зависит от его
Рис. 6-30. Схема локализации внутренних
разрядов в трансформаторе
С3=10 иФ; С,=4 пФ; С5-6 иФ: С8=10 пФ
(емкость для имитации ч. р.); /?=64 кОм;
i=50 мГн у — усилитель; О — осциллограф
слуЧЬе по запаздыванию сигнала,
зиая скорость распространения
электромагнитной волны по об-
мотке, можно определить место
возникновения ч. р. Схема измере-
ния приведена иа рис. 6-28. В ка-
честве примера на рис. 6-29 при-
ведены осциллограммы волновой составляющей импульса при возникновении
ч. р. в различных местах обмотки.
Наиболее целесообразно применять этот метод к дисковым обмоткам,
так как в многослойных и переплетенных обмотках волновая составляющая
слабо выражена.
ж:
ЗТйЕретий метод основав на осциллографировании колебательной состав-
ляющей. Определение места возникновения ч. р. возможно при помощи мо-
. славой схемы [64], изображенной на рис. 6-30.....
В этой схеме части обмотки с числом витков Ni и .Yj и емкости Ct и С2
образуют плечи моста. Электронный осциллограф, подсоединенный через уси-
литель в диагональ моста, служит в качестве нулевого индикатора. Эксперн-
- ментально было показано, что при условии У1/Л2=С2/С1 осциллограф не ре-
гистрирует колебательной составляющей импульса.
Место возникновения ч. р. может быть также определено по соотноше-
нию импульсных напряжений, измеренных на обоих концах обмотки (UAr
Uв). При этом расстояние х от одного из концов обмотки до места возник-
х ci Ua\
иовения ч. р. определяется по градуировочной кривой —= Н--I, по-
/ \ Ub /
лученной по схеме рис. 6-28.
Определение места возникновения ч. р. в силовых трансформаторах мо-
жет быть произведено при помощи совместного использования электрических
и акустических ИУ. При этом электрические регистрирующие ИУ исполь-
зуются для фиксации момента времени, при котором возникает ч. р., а по
сдвигу по времени между сигналами, регистрируемыми при помощи осцил-
лографа, от электрического и акустического ИУ можно определить расстоя-
ние от источника ч. р. до детектора.
Однако в ряде случаев при проведении измерений на реальных транс-
форматорах из-за слабого нарастания амплитуды сигнала от акустического
преобразователя возникают трудности в точном определении момента вре-
мени, когда сигнал достигает детектора.
Методика измерения характеристик частич-
ных разрядов в силовых трансформаторах при
испытаниях напряжением промышленной ча-
стоты. В Советском Союзе измерение характеристик ч. р.
в силовых трансформаторах производится в соответствии
с ГОСТ 21023—75 [15]. При этих измерениях обязательным яв-
ляется определение максимального значения кажущегося за-
ряда за время выдержки напряжения. Целесообразно дополни-
тельно производить измерения среднего тока и интенсивности
ч. р. в микровольтах. Измерения ч. р. проводятся на полностью
собранном трансформаторе.
ИУ подключается у линейного ввода обмотки ВН испы-
туемой фазы трансформатора в соответствии с рис. 6-31.
В качестве соединительного конденсатора, как правило, йсполь-
зуется емкость ввода конденсаторного типа испытуемого транс-
форматора. Допускается использовать отдельный высоковольт-
ный конденсатор, интенсивность ч. р. в котором при испытатель-
ном напряжении не должна быть больше 10~10 Кл. В качестве
измерительного сопротивления используется малоиндуктивный
резистор, значение которого должно быть в пределах 50—
1000 Ом. т
В связи с тем, что обмотка трансформатора имеет распреде-
ленные по длине индуктивности и емкости, градуировка схемы
должна проводиться параллельным способом (рис. 6-31), при*
чем градуировочная емкость не должна быть больше 100-пФ. -
Для уменьшения помех от короны при отсутствии вводов
с собственными экранами целесообразно применять сферические
483
или тороидальные экраны (рис. 6-32), основные размеры кото-
рых указаны в табл. 6-5. В случае необходимости подсоедине-
ния ошиновки к вводам трансформаторов (например, при под-
соединении конденсатора связи), размеры диаметра этой оши-
новки не должны быть меньше приведенных в табл. 6-5.
Рнс. 6-31. Принципиальная схема подключения измеритель-
ного устройства по ГОСТ 21023—75
ИУ — измерительное устройство; г — измерительный элемент; РК —
измерительный радиочастотный кабель; Со — емкость ввода или от-
дельного соединительного конденсатора; Свх — емкость на входе ИУ
(суммарная емкость измерительной обкладки ввода н измерительного
кабеля); Сг—емкость градуировочного конденсатора; Г —градуиро-
вочный генератор; Р — защитный разрядник; Пр — предохранитель
Измерения ч. р. производятся при испытаниях индуктирован-
ным напряжением и при длительной выдержке повышенного на-
пряжения повышенной частоты по графикам, приведенным на
рис. 6-33; при этом ч. р. измеряются в моменты времени, отме-
ченные на рис. 6-33, а точками 1, 2, 3, 4 и 5, на рис. 6-33, б —
точками 1, 2, 3 и 4 и на рис. 6-33, в — точками 1, 2, 3, 4, 5 и 6,
а также не менее двух измерений в интервале, ограниченном
точками 2 и 3 (рис. 6-33, б) и 4 и 5 (рис. 6-33, в).
184
Длительность выдержки под напряжением в точке 3 (рис.
6-33, айв) принимается по ГОСТ 1516.2—75: одна ми-
нута при частоте до 100 Гц, или при частоте f более 100 Гц
в соответствии с формулой /=60——• , где t — длитель-
Рекомендуемые размеры экранов
н ошиновки, мм
Класс на- пряжения. кВ Тороидальный экран Сфериче- ский экран Диаметр ошиновки
d н D D
но 150 220 330 500 750 80 150 150 200 800 1050 1050 1200 810 1050 1050 1600 500 750 750 1000 1800 2500 60 100 150 250 300
ность выдержки, с (но не Таблица 6-5-
менее 15с).
Длительность выдер-
жки в точках 1, 2, 4 и 5
рис. 6-33, а, в точках 1 и
4 рис. 6-33, бив точках
1, 2 и 6 рис. 6-33, в опре-
деляется длительностью
измерения характеристик
ч. р. и не должна быть
более 10 мин. Повышен-
ное напряжение на уча-
стках 2—3 (рис. 6-33, б)
и 4 — 5 (рис. 6-33, в)
обычно лежит в пределах
1,3—1,6 от наибольшего фазного рабочего напряжения, а дли-
тельность выдержки — 60 мин при типовых и периодических
испытаниях и не менее 50 мин при приемно-сдаточных.
Измерения необходимо производить на каждой фазе испы-
туемого трансформатора. Значения напряжений, соответствую-
щие точкам 1 и 5, 2 и 4 (рис.
6-33,а), 1 и 4 (рис. 6-33,6), 1 и
6, 2 и 4 (рис. 6-33, в), не должны
отличаться друг от друга более
чем на 3%. Измеренная интен-
сивность ч. р. после воздействия
испытательного напряжения не
должна отличаться более чем на
10 дБ от интенсивности ч. р., из-
меренной в соответствующих
точках до воздействия испыта-
тельного напряжения.
Аналогичное требование от-
носится к интенсивности ч. р„ рис. 6-32. Эскиз тороидального
измеренной в точках 2—3 (рис. экрана
6-33, б) и 4 и 5 (рис. 6-33, в)
в процессе выдержки в течение 30—60 мин при повышенном
напряжении.
По предварительным данным допустимыми интенсивностями
ч. р. являются:
3-10~10 Кл — при наибольшем рабочем напряжении;
3-10—9 Кл — при повышенном напряжении (1,3—1,6 t/ном);
3-Ю-8 Кл — при испытательном одноминутном напряжении.
185
Если интенсивность ч. р. превышает указанные значения, то
вопрос о годности испытуемого трансформатора подлежит до-
полнительному анализу.
Рис. 6-33. График изменения во времени испытательного напряжения
при испытании индуктированным напряжением (а); при длительном
испытании повышенным напряжением повышенной частоты (б); и при
совмещенном испытании (в)
иисп—испытательное напряжение; Uпов— повышенное напряжение; Upag_ иаиб-
наибольшее рабочее напряжение
Для выявления причин повышенной интенсивности ч. р. мо-
жно рекомендовать следующие меры: нагрев трансформатора,
дополнительный отстой масла, перезаливка масла, замена вво-
дов, повторная термовакуумная обработка, разборка трансфор-
матора. После выполнения одного
Рис. 6-34. Совмещенная схема
измерений характеристик ч. р.
и испытательного напряжения
Со — емкость ввода или соедини*
тельного коидеисатора; Свх—ем-
кость иа входе ИУ (суммарная ем-
кость измерительной обкладки
ввода и измерительного кабеля);
z — сопротивление измерительного
элемента; Си3—емкость измери-
тельного конденсатора
/ — разъем для присоединения
устройства измерений характери-
стик ч.'р.; 2 — разъем для присо-
единения приборов, измеряющих
испытательное 'напряжение
или нескольких из перечисленных
мероприятий необходимо провести
повторное испытание повышенным
напряжением в течение 60 мин.
При проведении испытаний
трансформатора может быть при-
менена совмещенная схема, изо-
браженная на рис. 6-34, позволяю-
щая измерять как характеристики
ч. р., так и значение испытатель-
ного напряжения. В этом случае
измерение ВН производится с по-
мощью вольтметра, подключаемого
к емкости Сиз- Значения емкости
Сиз необходимо выбирать таким
образом, чтобы соблюдалось соот-
ношение (2nfCH3)_1> 10z, где-f —
частота испытательного напряже-
ния. При этом емкость Со и парал-
лельно соединенные емкости Сиз и
Свх выполняют функцию емкост-
ного делителя напряжения.
При измерениях ч. р. в транс-
форматоре вводы являются его
186
составной частью и очень трудно установить, возникают ли раз-
ряды в этих вводах или в изоляции обмотки трансформатора.
При раздельном исследовании вводов [60] было обнаружено,
что интенсивность ч. р. во вводах может быть достаточной,
чтобы мешать измерениям на собранном трансформаторе.
В связи с этим целесообразно проверять вводы отдельно и тем
самым одновременно проверять их качество.
Это заставляет также принимать специальные меры по уст-
ранению короны на вводах и в ряде случаев проводить испыта-
ния с "Вводами, проверенными на отсутствие внутренних ч. р.
на уровне 10-10 Кл.
Аппаратная бумажно-масляная изоляция является неоднородным слои-
стым диэлектриком. Ее макроскопическую структуру составляют слои пропи-
танной нефтяным маслом кабельной бумаги н масляные прослойки, запол-
няющие зазоры между слоями бумаги.
В зависимости от назначения в конструкциях с бумажно-масляной изо-
ляцией применяются два варианта исполнения изоляционного слоя: 1) листо-
вой, или рулонный, когда слой изоляции
выполняется из сплошных листов (руло-
нов) бумаги; 2) ленточный, когда слой
изоляции состоит из лент или полос бу-
маги.
Листовая, или рулонная изоляция
чаще всего применяется в проходных
изоляторах, длина которых не превы-
шает ширины бумажных рулонов.
Ленточная изоляция применяется
для наложения на изолируемые элементы
сложной конфигурации, особенно в мес-
тах изгибов с малыми радиусами, а так-
же, когда размеры изолируемых элемен-
тов’ • превосходят ширину бумажных
рулонов, выпускаемых промышленностью.
В частности, она применяется в некото-
рых типах трансформаторов тока и про-
ходных изоляторов,
Бумажная лента накладывается на
изолируемые части последовательными
слоями, как правило/по спирали с поло-
Рис. 7-1. Схема наложения лен-
точной изоляции с положительным
перекрытием
187
жительным перекрытием (рис. 7-1), причем это перекрытие должно быть ие
менее половины шага намотки (полнахлеста). Ширина ленты может изме-
няться: для узких леит, применяемых чаще всего в трансформаторах тока, от
12 до 30 мм и для широких лент, применяемых в проходных изоляторах,—
•от 120 до 180 мм.
Размеры масляных прослоек в листовой изоляции зависят в основном
от плотности прилегания листов бумаги друг к другу и к электродам.
В леиточиых слоях число и размеры масляных прослоек зависят от тол-
щины бумаги, степени перекрытия и плотности намотки. При положительном
перекрытии в изоляции образуются масляные прослойки у края лент. Тол-
щина этих прослоек при идеально плотной намотке не меньше толщины бу-
мажной ленты. Помимо масляных прослоек в местах зазоров у края лент,
прослойки образуются между прилегающими друг к другу поверхностями
леиты за счет неизбежных неплотностей при намотке.
7-2. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Начальные ч. р. в бумажно-масляной изоляции аппаратов,
так же как и в изоляции силовых конденсаторов, возникают
вследствие пробоя масляных пленок, так как в хорошо высушен-
ной и пропитанной минеральным маслом бумажной изоляции
нет пузырьков воздуха или какого-либо другого газа. При пе-
ременном напряжении напряженность в масляной прослойке
выше, чем в бумаге [см. формулу (1-2)]. Отличие напряжен-
ности в масляной прослойке Ем от средней £Ср зависит от соот-
ношения между толщинами масляной прослойки и слоя бумаги.
Используя (1-4), имеем
1 + _^_
, (7-1)
£ср dM ем
бб 8б
где dK — толщина масляной прослойки; бе — толщина листа бу-
маги. Обычно для листовой изоляции и, следовательно,
£'.м._ =_£б_ ~ ij. (7>2)
Еср
Для изоляции аппаратов, выполняемой лентами бумаги, на-
кладываемыми в полнахлеста, с!м«бб и лишь нарушение в тех-
нологии изготовления может привести к появлению больших
масляных прослоек. При с?м = 6б имеем
Ем______2вб
Еср ем +
В аппаратной ленточной изоляции, так же как и в кабель-
ной изоляции, толщина масляной прослойки du тем меньше, чем
меньше толщина бумаги б6- Так как пробивная напряженность
масла растет с уменьшением толщины прослойки (см. рис. 1-3),
® 1,3. (7-3)
188
то изоляция из более тонкой бумаги имеет более высокую на-
пряженность ч. р.
Критические ч. р. в бумажно-масляной изоляции возникают,
когда интенсивность газовыделения за счет ч. р. превосходит
интенсивность газопоглощения. Если воздействие критических
ч. р. было достаточно кратковременным, например при перена-
пряжениях, и во время дальнейшей работы ч. р. не происходят,
или изоляция не находится под напряжением, то образовав-
шиеся газовые включения растворяются в масле и напряжение
ч. р. восстанавливается. Если ко-
личество газовых включений ог-
раничено (не превосходит 8—
10% от объема масла), то изо-
ляция может полностью восста-
новить свои характеристики.
Рис. 7-3. Зависимости тока
ч. р. от напряжения для ап-
паратной бумажно-масля-
ной изоляции, d=l мм
1 — сильно неоднородное поле;
2 — слабо неоднородное поле
Рис. 7-2. Восстановление напряжения
критических ч. р. в процессе отдыха
изоляции
На рис. 7-2 показано восстановление напряжения UKp крити-
ческих ч. р. в образцах ленточной изоляции из кабельной бу-
маги после воздействия перенапряжения и снижения UKp до ми-
нимального значения.
Применение устройств для измерения характеристик ч. р.
с повышенной чувствительностью (порядка 3-10-15 Кл) сов-
местно с фотоэлектрической схемой регистрации (в которой
основным элементом является фотоумножитель, регистрирую-
щий свечение, возникающее в изоляции) позволяет установить,
что в бумажно-масляной изоляции большинства изоляционных
конструкций имеют место ч. р. с интенсивностью 3-10—15—
10-14 Кл при напряженностях, близких к рабочим, принятым
в настоящее время.
Так, например, для аппаратной изоляции конденсаторного
типа (проходные изоляторы, трансформаторы тока) при тол-
189
щине слоя 1 мм .Ен = 3,6 кВ/мм при рабочей напряженности,
обычно равной 3—4 кВ/мм.
В аппаратной бумажно-масляной изоляции конденсатор-
ного типа, так же как и в изоляции конденсаторов, ч. р. при
переменном напряжении возникают прежде всего на краю
электрода, где имеется повышенная напряженность электриче-
ского поля в виде отдельных точек. С ростом напряжения ко-
личество точек растет, захватывая весь периметр электрода.
Зависимости пч. р, /ч. Р и Рч. р от напряжения соответствуют
формулам (1-53), (1-54) и (1-56), в которых значение показа-
теля ai колеблется в пределах 4—7 и в среднем может быть
принято равным 5; соответственно a = ai + l может быть в сред-
нем принято равным шести.
Характерные зависимости тока ч. р. от напряжения для изо-
ляции с сильно и слабо неравномерным полем приведены на
рис. 7-3.
7-3. ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕННОСТИ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
ОТ ТОЛЩИНЫ изоляции
Для изоляции с резко неравномерным полем возникновение
начальных и критических ч. р.
ходящими у края электрода.
Рис. 7-4. Зависимости напряжен-
ности ч. р. от толщины для ап-
паратной изоляции из кабельной
бумаги К-12
1 — Екр; 2 — Ен на уровне 10~12 Кл;
3—Еа на уровне 10—14 Кл
определяется процессами, проис-
Это подтверждается структурой
соответствующих эмпирических
формул, в которых показатель
степени при d близок к 0,5 [см.
формулу (1-64)]. По данным экс-
периментов зависимость средних
значений Ен (на уровне 340-12—
10-14 Кл) от толщины диэлек-
трика (кривая 2 на рис. 7-4) мо-
жет быть представлена в виде
Ен = 3,6d~°’5, (7-4)
где d — толщина изоляции в мм
(0,05^d^l0 мм); Ен—в кВ/мм.
Разброс значений Ен характери-
зуется коэффициентом вариации
Он/Ен, равным 10%.
Исследования, произведенные
на образцах большой емкости
с острым краем электрода при
схеме регистрации ч. р. с чувствительностью ~ 10~12 Кл, при-
вели к следующим зависимостям для ленточной изоляции из
кабельной бумаги К-12:
Ен = ЮгГ0’58, . (7-5). Екр — 18d-0’58, (7-6)
190
где d—толщина изоляции в мм; Е — средняя напряженность
электрического поля в кВ/мм. Эти зависимости также представ-
лены на рис. 7-4.
Разброс напряженности начальных ч. р. на уровне 10~12 Кл
для отдельных образцов характеризуется коэффициентом ва-
риации Он/Ен, равным 25—30%, а критических ч. д. Окр/^кр.
равным 7—10%.
Для изоляции с сильно неравномерным полем у краев элек-
тродов повышения напряженности (напряжения) ч. р. можно
достигнуть путем ослабления краевого эффекта электродов.
Для изоляции с равномерным или слабо неравномерным по-
лем и с устраненным краевым эффектом напряженности началь-
ных и критических ч. р., рассчитанные по максимальной напря-
женности у электрода с меньшим радиусом кривизны, не зави-
сят от толщины диэлектрика. Так, например, для ленточной
изоляции из кабельной бумаги К-12, в которой краевой эффект
был устранен при помощи конусных разделок, Ен=12 кВ/мм
и £'кр = 30 кВ/мм. Коэффициент вариации для этих величин со-
ставляет соответственно 30 и 10%.
7-4. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В АППАРАТНОЙ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Ряд конструкций аппаратов и проходных изоляторов имеет
негерметичное исполнение, при котором внутренняя изоляция
защищена от воздействия окружающей атмосферы только с по-
мощью расширителей, масло в которых имеет контакт с возду-
хом. Вследствие этого происходит постепенное увлажнение изо-
ляции с постоянной времени 3—5 лет. Равновесное влагосодер-
жание изоляции (пропитанной маслом бумаги) через 10—15 лет
эксплуатации достигает 4—5% по массе. При нарушении тех-
нологического режима [12] изоляция может иметь повышенное
(до 1—1,5%) влагосодержание в состоянии поставки.
Увеличение влажности изоляции приводит к ухудшению ряда
ее электрических характеристик. Происходит снижение пробив-
ной напряженности, рост tg б, ухудшение физико-химических ха-
рактеристик масла, связанных с интенсификацией окислитель-
ных процессов, особенно при температуре 80—90° С в нормаль-
ном рабочем режиме. Влажность изоляции заметно сказывается
на снижении напряженности начальных и критических ч. р.,
а также на увеличении их интенсивности при заданной напря-
женности электрического поля (рис. 7-5). Температура не ока-
зывает существенного влияния на характеристики ч. р.
Полученные данные можно качественно сопоставить с дан-
ными для конденсаторной изоляции (см. рис. 4-14). Следует
также отметить, что разброс напряженностей начальных ч. р.
191
ных ч. р. уменьшается в 2,5—3 раза при увеличении влажности
от 0,5 до 5% (при влагосодержании 0,5% коэффициент вариа-
ции Сн/Ен составляет 0,28, а при
Рис. 7-5. Зависимость напряженностей
начальных £н и критических £Кр
ч. р. и пробивной напряженности Епр
от влагосодержании изоляции при
температуре 90° С. и 20—30° С (штри-
ховые кривые); бумажно-масляная
аппаратная изоляция, <7=1 мм
влагосодержании 5% —0,1).
Разброс напряженностей
критических ч. р. практически
не зависит от влажности (ко-
эффициент вариации состав-
ляет 0,07—0,1).
7-5. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
Для аппаратной изоляции так
же, как и для маслобарьерной,
ввиду кратковременности воздейст-
вия ч. р. коммуникационные им-
пульсы напряжения представляют
меньшую опасность, чем воздей-
ствие напряжения промышленной
частоты [58]. При определении ха-
рактеристик изоляции использовался
ряд форм импульсов, характерных
для коммутационных перенапряже-
ний (рис. 7-6). Для регистрации
ч. р. была применена мостовая схе-
ма, позволяющая существенно
уменьшить посторонние помехи. Ми-
нимальный регистрируемый заряд
был около 10-9 Кл. Так как при
воздействии импульсных перенапря-
жений опасными для изоляции мо-
гут оказаться только критические
ч. р., для которых характерно
?ч. р=10-8—10-в Кл, то указанную
чувствительность можно считать до-
статочной.
Характерные осциллограммы
начальных и критических ч. р. при-
ведены иа рис. 7-7. Как видно из
осциллограмм, кажущийся заряд
критических ч. р. отличается более,
чем на два порядка от заряда на-
чальных ч. р. Характерной особен-
ностью возникновения критических ч. р. является снижение UKV (наблюдае-
мое при подаче на образец импульса, вызывающего критические ч. р.).
Характеристики ч. р. при различных видах воздействия для образцов
аппаратной изоляции конденсаторного типа (см. рис. 1-10, в) с толщиной
слоя 1 мм, приведены в табл. 7-1.
Напряжение начальных ч. р. в большой мере зависит от чувствитель-
ности установки, иа которой проводятся исследования. Завышенное значение
UH при импульсных напряжениях объясняется меньшей чувствительностью
схемы регистрации ч. р. по сравнению с измерениями при 50 Гц.
Как следует нз табл. 7-1, напряжение критических ч. р. при импульсных
воздействиях практически не зависит от частоты колебаний и заметно за-
висит от декремента колебаний Д импульса. Аналогичный эффект был от-
мечен и для изоляции импульсных конденсаторов. Объясняется это тем, что
для перехода в стадию критических ч. р. должно произойти определенное
в количественном отношений разрушение диэлектрика (например, образова-
192
ние газовых полостей вследствие разложения жидкого диэлектрика). Как
Г Казано в § 1-3, число единичных ч. р., происходящих за один период,
следовательно, и количество образовавшегося газа, зависит от амплитуды
Рис. 7-6. Характерные осциллограммы импульсов напряжения, экви-
валентных коммутационным перенапряжениям: а — апериодический
импульс 50/5000 мкс; б — колебательный импульс /=300 Гц; в — ко-
лебательный импульс /=800 Гц, декремент колебаний Л =1,3 метки
времени 0,2 мс; г — колебательный импульс /=800 Гц, декремент
колебаний Л=2,8, метки времени 0,2 мс; д — апериодический импульс
2000/5000 мкс, /=5 кГц
напряжения и практически не связано с длительностью периода. В то же
время количество периодов с амплитудой, достаточной для возникновения
ч. р., определяется декрементом колебаний и не зависит от частоты.
Рис. 7-7. Характерные осциллограммы ч. р. при воздействии
импульсов 800 Гц, Д=Г,3: а — начальные ч. р.; б — критиче-
ские ч. р.
Разброс отдельных значений (7кр при импульсах больше, чем При пере-
менном Напряжении 50 Гц: коэффициент вариации сгКр/£кр равен 10—20%,
в то время как для переменного напряжения он составляет 10%.
7 Г. С. Кучинский
193
Таблица 7-1
Характеристики ч. р. при различных формах воздействующих напряжений
для изоляции конденсаторного типа, d — 1 мм
Напряжение Коли- чество образцов Начальные ч. р. Критические ч. р.
(7Н. «В ан. % Укр’ кВ °кр- «
Переменное 50 Гц, 1 мин* (амплитудное значение) Импульс 200—300 Гц . 30 14 15 26 10
20 21,8 17 33,7 18
» 800 Гц, Д = 1,3 38 18 20 35 15
» 800 Гц, Д = 2,8 16 25 10 47,3 11
* Характеристики ч. р. определены на уровне 10—12 Кл.
7-6. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
ПРИ ПОСТОЯННОМ И ПУЛЬСИРУЮЩЕМ НАПРЯЖЕНИЯХ
В бумажно-масляной изоляции при постоянном напряжении также воз-
никают ч. р., которые, как и при переменном напряжении, представляют
собой пробои масляных прослоек.
При постоянном напряжении ч. р. развиваются по всей площади элек-
трода даже при наличии острого края. Это объясняется ослаблением крае-
вого эффекта вследствие значитель-
ной продольной проводимости мас-
Рис. 7-8. Зависимость тока ч. р.
от напряжения для аппаратной
бумажио-масляиой изоляции кон-
денсаторного типа, d=l мм, по-
стоянное напряжение
ляных пленок по сравнению с по-
перечной проводимостью бумажно-
масляной изоляции. При постоянном
напряжении напряженности началь-
ных ч. р. значительно выше, чем
при переменном и существенно зави-
сят от температуры изоляции и
влажности. Оба эти фактора приво-
дят к увеличению проводимости
изоляции и уменьшению электриче-
ской прочности пропитывающего со-
става. При этом увеличивается ин-
тенсивность ч. р. (1-101) и умень-
шается напряженность начальных
ч. р. (1-102), которая измеряется
при определенной чувствительности
регистрирующей схемы.
Так, например, для аппаратной
изоляции конденсаторного типа на-
Салошные кривые — для электродов
с острыми краями (рис. 1-8, б); штри-
ховые кривые для электродов с ко-
нусными разделками краев (рис. 1-8, в)
7 — 1=20” С; 2 — 7=80” С
пряженность начальных ч. р. для
слоя толщиной 1 мм составляет:
20—30 кВ/мм при 0=20° С и
10—15 кВ/мм при v=80°C.
Для изоляции конденсаторного
типа изменение толщины диэлектрика
практически не сказывается иа напряженности ч. р., что объясняется отсут-
ствием влияния краевого эффекта электродов.
На рис. 7-8 приведены зависимости тока ч. р. от напряжения (толщина
изоляции в образце—1 мм). Все кривые построены по усредненным дан-
ным, полученным при испытаниях 10—15 образцов. Эти зависимости как для
194
образцов с острым краем обкладки (рис. 1-10, в), так и для образцов с ко-
нусными разделками краев обкладки (рис. 1-10, г) мало различаются.
При постоянном напряжении, так же как и при переменном, зависимо-
сти тока и мощности ч. р. от напряжения (напряженности) хорошо выра-
жаются формулами:
(и — (но
/ U 'А
\ 1/и/ ’
(7-7>
/ j] \ач
Рн=/’но — =А^. (7-8>
\ U н /
В обоих случаях при температуре 20° С ч. р. начинаются при
Ен5s20 кВ/мм, что заметно выше, чем
Рис. 7-9. Зависимость тока ч. р. (1)
на постоянном напряжении (7=60 кВ
и тока утечки (2) от температуры
для бумажно-масляной аппаратной
изоляции
при переменном напряжении 50 Гц.
В то же время ток ч. р. меньше,
чем при переменном напряжении.
Так, например, для начальных
ч. р. при 20° С ток 10~9 А со-
ответствует на постоянном на-
Рис. 7-10. Амплитудные спект-
ры ч. р. иа постоянном напря-
жении при различных темпе-
ратурах для бумажио-масля-
ной аппаратной изоляции (U=
= 100 кВ, <7=1 мм)
/ — ^=20° С; 2 — i=40°C; 3 —1=
=60’С
пряжении £=40—60 кВ/мм (на переменном— ^2-10 кВ/мм). С ростом
температуры интенсивность ч. р. на постоянном напряжении существенно
возрастает. Так, при (=80° С ток 10-9 А соответствует £=20 кВ/мм. На
переменном напряжении не наблюдается роста тока ч. р. с увеличением тем-
пературы.
На рис. 7-9, кривая 1 приведена зависимость тока ч. р. от температуры,
которая хорошо отображается формулой
/ч.р=/ч.роег’(а~а»)> (7-9/
где Ь«0,04 К-1.
При изменении температуры от 20 до 80° С ток ч. р. изменяется в 15—
20 раз, что соответствует аналогичному изменению проводимости изоляции
с изменением температуры (рис. 7-9, кривая 2).
Из рис. 7-10 следует, что рост тока ч. р. в основном определяется увели-
чением частоты следования ч. р. В то же время кажущийся заряд ч. р.
изменяется мало.
у*
195
Напряжение и напряженность начальных ч. р. слабо зависят от кон-
струкции края обкладки. Это подтверждает, что основное количество ч. р. на
постоянном напряжении происходит в области равномерного поля.
На пульсирующем напряжении интенсивность ч. р. зависит как от пере-
менной, так и от постоянной составляющих напряжения [7]. В случае, когда
Рис. 7-11. Зависимость напряженности ч. р., вычисленных по
переменной составляющей напряженности, от постоянной со-
ставляющей; бумажно-масляная аппаратная изоляция, rf=l мм
/ — напряженность начальных ч. р.; 2 — напряженность критических
ч. р.
переменная составляющая превышает напряжение начальных ч. р., харак-
теристики ч. р. определяются переменной составляющей. При этом протека-
ние ч. р. во времени происходит так же, как и на переменном напряжении:
ч. р. существуют на каждом полупериоде переменной составляющей. Нали-
чие постоянной составляющей приводит к снижению напряжения начальных
ч. р., вызываемых переменной составляющей. На рис. 7-11 приведены зави-
симости напряженности начальных и критических ч. р. по переменной со-
ставляющей от постоянной составляющей для аппаратной изоляции конден-
саторного типа. Эта зависимость хорошо выражается формулой
Ея - Еа~ - (7.10)
где £н — напряженность начальных ч. р. на пульсирующем напряжении по пе-
ременной составляющей; £н~ — напряженность начальных ч. р. на перемен-
ном напряжении 50 Гц; £= — постоянная составляющая; Ki — коэффициент
(для аппаратной изоляции конденсаторного типа Ki=0,12).
Напряжение и напряженность критических ч. р. не зависят от постоян-
ной составляющей (рис. 7-11), так как условия возникновения критических
ч. р. определяются иитенсивиостью ч. р., зависящей главным образом только
от переменной составляющей напряжения.
7-7. ВЫБОР ДОПУСТИМЫХ РАДИАЛЬНЫХ
НАПРЯЖЕННОСТЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Выбор рабочих напряженностей. В аппаратной
изоляции допустимые радиальные рабочие напряженности оп-
ределяются по условию допустимой интенсивности или мощно-
сти ч. р. при заданном сроке службы.
Для бумажно-масляной изоляции допустимые рабочие на-
пряженности определяются мощностью ч. р., при которой за за-
196
данный срок службы изоляции исключено возникновение сосре-
доточенных газовых включений, т. е. выполняется условие
(4-14).
Для аппаратной ленточной изоляции конденсаторного типа
с электродами из перфорированной фольги при толщине слоя
~ 1 мм допустимая мощность ч. р. при переменном напряже-
нии соответствует напряженности около 4 кВ/мм. При измене-
нии толщины слоя допустимая радиальная рабочая напряжен-
ность
£pa6 = 4,0d-°-58, (7-11)
где Драв в кВ/мм, d — в мм.
В конструкциях с ленточной изоляцией со слабо неравно-
мерным полем допустимая радиальная рабочая напряженность,
вычисленная по аналогичным условиям, равна 5—6 кВ/мм.
Подобный расчет для постоянного напряжения дает допус-
тимую радиальную рабочую напряженность 15—30 кВ/мм.
При выборе допустимых радиальных напряженностей дол-
жны учитываться условия технологии изоляции и условия экс-
плуатации, приводящие к определенной влажности изоляции.
Наиболее правильным является выбор допустимой радиаль-
ной рабочей напряженности по допустимой интенсивности на-
чальных ч. р. Однако в ряде случаев можно пользоваться кри-
терием недопустимости при рабочем напряжении начальных
ч. р. с амплитудой 10-12 Кл и выше, поскольку они представ-
ляют собой пробой масляных прослоек толщиной ~ 100 мкм
и более, характерных для аппаратной изоляции, изготовленной
из лент кабельной бумаги.
Для того чтобы в подавляющем большинстве случаев (с на-
дежностью более 0,99) это условие выполнялось, можно исполь-
зовать соотношение:
£раб = £н(1-3<тн/£н), (7-12)
где Gh/Eh представляет собой коэффициент вариации напряжен-
ности начальных ч. р.
Эта формула пригодна в тех случаях, когда ок/Еа достаточно
мало (не более 0,1—0,15), в данном случае—при повышенной
влажности изоляции. При больших Ga/En, что обычно имеет ме-
сто при малом влагосодержании, можно ориентироваться на
нижние значения напряженности начальных ч. р., полученные
при испытании достаточно большого количества образцов, число
которых будет определять надежность выбора допустимой ра-
бочей напряженности.
При задании Ен и он/£н в формуле (7-12) необходимо выяс-
нить вероятное влагосодержание изоляции в условиях длитель-
ной эксплуатации. Например, для негерметичных конструкций
вводов, вне зависимости от влагосодержания в состоянии по-
ставки, следует ориентироваться на w = 4—5%, как на вероят-
ное влагосодержание изоляционного остова по истечении не-
197
скольких лет эксплуатации. Соответственно Ен снижается до
3,5 кВ/мм). Для герметичных конструкций, когда предотвра-
щено заметное увлажнение изоляции при длительной работе,
Еи определяется практически только влагосодержанием в со-
стоянии поставки. При нормальной технологии сушки и про-
питки изоляции да «0,5 %; при нарушениях технологии следует
принимать да = 1—1,5%. На основании опытных данных о Еп
и ан/Ен были вычислены значения Ераб по (7-12) при толщине
изоляции 1 мм. Эти данные приведены в табл. 7-2.
Выбор допустимых испытательных напря-
женностей промышленной частоты. Допустимые
радиальные испытательные напряженности Еясп выбираются по
условию отсутствия критических ч. р. при одно- или пятиминут-
ных испытаниях повышенным напряжением, т. е. по соотноше-
нию, аналогичному (7-12). Необходимо учесть, что изоляция ис-
пытывается повышенным напряжением либо в состоянии по-
ставки, либо после ремонта, поэтому следует ориентироваться
на Екр, соответствующие да = 1—1,5% вне зависимости от гер-
метичности конструкции. В табл. 7-2 приведены значения ЕИСп,
вычисленные по методике, аналогичной методике выбора Ераб-
Таблица 7-2
Допустимые радиальные рабочие ^раб
и испытательные £Нсп напряженности при d — 1 мм
и различном влагосодержании изоляции w
Характеристика Конструкции
герметичные негерметнчные
w, %: начальное в эксплуатации . . . 0,5 0,5 1,5 1,5 0,5 5 1,5 5
Граб, кВ/мм 4 3,2 2—2,5 2—2,5
Енсп, кВ/мм 12 9—10 12 9—10
Для получения значений ЕРав и ЕНСп в изоляции конденсатор-
ного типа при другой толщине слоя диэлектрика следует поль-
зоваться формулами, аналогичными (7-11), — умножать значе-
ния Ераб и Еисп табл. 7-2 на г/~°-88.
Так, например, для допустимой напряженности при одноми-
нутных испытательных напряжениях 50 Гц
Еисп = 12d~°’58, (7-13)
Г98
где £ИСп — в кВ/мм, d — в мм.
С учетом реальной кратности воздействующих перенапряже-
ний, характеристики ч. р. не ограничивают значений импульс-
ных воздействий, соответствующих атмосферным перенапря-
жениям.
7-8. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В АППАРАТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Рис. 7-14. Схема для Измерения ха-
рактеристик ч. р. в изоляции транс-
форматоров тока
1 — корпус трансформатора; 2 — магннто-
провод; С» — соединительный конденсатор;
z — измерительный элемент; R 3— защит-
ное сопротивление
При измерении характеристик ч. р. в аппаратной изоляции
обычно определяются кажущийся заряд ч. р. и частота следо-
вания ч. р.; в ряде случаев определяется также интенсивность
ч. р. в микровольтах (с помощью ИП). ИУ чаще всего имеет
широкую полосу пропускания с верхней частотой 100 кГц. При-
меняются также устройства с узкой полосой пропускания с ча-
стотой настройки от 150 кГц
до 2 МГц.
Трансформаторы тока
обычно испытываются по схе-
ме, приведенной на рис. 7-14.
В процессе измерения метал-
лический корпус трансформа-
тора и магнитопровод по воз-
можности должны быть при-
соединены ко вторичной об-
мотке.
Характеристики ч. р. изме-
ряются в процессе и после вы-
соковольтных испытаний. Ха-
рактеристики ч. р. в аппара-
тах с номинальным напряже-
нием ПО кВ и выше при на-
пряжениях ОКОЛО 1,2 t/раб. наиб
ориентировочно могут иметь
следующие допустимые значе-
ния: кажущийся заряд —10 пКл
для изоляции с пропиткой жид-
ким диэлектриком и 50 пКл
для твердой изоляции (на ос-
нове эпоксидных компаундов);
t/4. р — 2—3 мкВ для изоляции с жидкой пропиткой и 12—
15 мкВ — для твердой изоляции.
В аппаратах с номинальным напряжением 35 кВ и ниже до-
пустимые значения кажущегося заряда могут быть приняты рав-
ными соответственно 100 и 500 пКл, С/ч. Р— соответственно 25
и 60—65 мкВ.
199
8-1. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ >
В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН I
---------——.............................. i
Для изоляции обмоток электрических машин широкое распространение
получила композиционная изоляция, в которой в качестве изоляционного
барьера используется щипаная слюда или слюдинит, в качестве подложки —
бумага или стеклоткань и в качестве связующего — битумный лак или эпок-
сидный компаунд. В зависимости от характера связующего изоляция разде-
ляется на термопластическую и термореактивную. Из термопластических наи-
более широко применяется микалентная изоляция, а из термореактивных —
монолит и слюдотерм. В последнее время изоляция типа монолит начинает
вытеснять все другие типы изоляции в крупных высоковольтных электриче-
ских машинах.
Экспериментально установлено, что в высоковольтных электрических ма-
шинах при рабочих напряженностях в течение длительного времени (практи-
чески всего срока службы) существуют ч. р. заметной интенсивности, не
приводящие к снижению электрической и механической прочности. Эти раз-
ряды мало влияют на надежность и долговечность изоляции электрических
машин, так как в состав этой изоляции входит неорганический диэлектрик —
слюда,— весьма стабильный к воздействию ч. р. Такие ч. р. могут возни-
кать в газовых включениях в толще изоляции, особенно в микалентной изо-
ляции при высыхании и растрескивании битумного лака или компаунда
в зазорах между стержнями (обмоткой) и статором, в месте выхода стерж-
ней или обмотки из паза при недостаточной экранировке соответствующих
мест проводящими и полупроводящими покрытиями. Возникновение крупных
газовых включений может привести к значительному увеличению интенсив-
ности ч. р., что может повлечь за собой разрушение изоляции этими раз-
рядами. Чаще всего при этом разряды развиваются между пластинками
слюды по зигзагообразному пути, что особенно характерно при наличии рас-
слоения в изоляции.
8-2. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ '
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
В процессе эксплуатации изоляция электрических машин изменяет свои
характеристики под воздействием целого ряда факторов: вибрации, высокой
температуры, рабочего напряжения, перенапряжений, ударных динамических
нагрузок, увлажнения. Влияние каждого из этих факторов является доста-
точно существенным. В связи с этим выбор толщины изоляции и рабочей
напряженности основывается главным образом на эксплуатационном опыте.
При этом установлена связь между толщиной изоляции d и номинальным
напряжением машины [/ном [43], изображенная на рис. 8-1, которая может
быть аппроксимирована формулой
d= 1,45 + 0,24£/НОМ». (8-D
где d в мм, 1/ном в кВ.
200
В последние годы были произведены разработки, позволившие умень-
шить толщину изоляции и увеличить допустимые напряженности (рис. 8-1).
Рассмотрим возможность возникновения
ляции машин.
Так как
(8-2)
d — dp d^,
где dB — толщина воздушного
и с?д — толщина
в соответствии с (1-3) амплитудное зна-
включения
твердой изоляции, то
1
мм
7
6
5
4
3
2
<1
s'
S d‘ "ном
3.5
3.0
2,5
2.0
1.5
1.0
10
5
кй.
мм
0.5
15 кВ
Рис. 8-2. Зависимость тол-
щины dB воздушных вклю-
чений, в которых возникают
ч. р. при номинальном на-
пряжении, от номиналь-
ного напряжения 1/НОм ге-
нератора для случая одного
включения
Рис. 8-1. Зависимость толщин изоля-
ции d и рабочих напряженностей £Раб
от номинального напряжения ма-
шины для нормальной (d, Ераб)
и утоньшенной (d’,
E've-O) ИЗОЛЯЦИИ
чение напряженности в
Из (8-1) и (8-2)
При ед/ев = 5 имеем:
воздушном включении
ит
dB+^k_ /з (dB +
еД \ 8Д /
можно найти выражение, связывающее UB0M
У 2 Uном
(8-3)
и £в.
£B(4dB+ 1,45)
£7н0М" 4,1—0,24£в
(8-4)
кВ/мм, £ном — в кВ.
£в значение пробивной напряженности газового
чения толщиной dB, которое можно получить из рис. 1-2, определим
между номинальным напряжением машины и толщиной воздушных включе-
ний, в которых возникают ч. р. Полученная таким образом зависимость при-
ведена на рис. 8-2 [43]. Из рисунка следует, что ч. р. могут иметь место
где с?в — в мм, £в — в
Подставив вместо
вклю-
связь
201
только у машин с номинальном напряжением 6 кВ н выше. Однако необходимо
учитывать, что в случае применения более высоких рабочих напряженностей
(более тонкой изоляции) в соответствии с кривыми рис. 8-2 ч. р. могут воз-
Рис. 8-3. Зависимость тол-
щины dB воздушных включе-
ний от напряжения £/Исп, при-
водящего к ч. р. во включе-
ниях, для генераторов с раз-
личными номинальными на-
пряжениями
1 - <^ном=3 кВ> 2-^ном=6 кВ;
3~ ином='0,5 кВ; 4-С/н0М=
= 15,75 кВ
никать и у машин с меньшими номиналь-
ными напряжениями. Наиболее опасными
являются включения толщиной 0,25—
0,6 мм, в которых ч. р. происходят у ма-
шин с наиболее низкими номинальными
напряжениями.
Из (8-1) и (8-3) могут быть установ-
лены напряжения, которые должны быть
приложены к изоляции машин различных
классов напряжения, чтобы вызвать ч. р.
во включении толщиной dB. Действитель-
но, из (8-3) имеем:
ед
Учитывая (8-1), при ед/ев = 5 из (8-5)'
можно получить
iA>.p = -yf2- (0,8dB +
+ 0,048(7ном + 0,3), (8-6>
где 1)ч. р — напряжение ч. р. в изоляции
машины с номинальным напряжением
t/ном в кВ, £в. пр —в кВ/мм, dB —в мм.
Прн испытательных напряжениях ма-
шин, которые обычно устанавливаются нз
соотношения
Uncn — 21/нОм + 3, (8-7):
где иЯСи и t/ном в кВ, будут иметь место
ч. р. практически во всех включениях
(рис. 8-3).
В микалентной и термореактивной
изоляции в процессе старения, а также по-
технологическим причинам могут образо-
ваться продольные щели, расположенные-
практически параллельно электродам, в ко-
торых возникают условия для развития
ч. р. в виде скользящих разрядов. Таким
условием [8] является наличие достаточно
высокой тангенциальной составляющей электрического поля Ei>E0, где-
Ео=2,2 кВ/мм — пробивная напряженность воздуха в слабо неравномерном
поле.
Наибольшая напряженность электрического поля возникает на углах
токоведущнх частей. Зависимость коэффициента неравномерности £яер =
= £тах/#ср поля в пазу статора от отношения радиуса закругления меди г
к толщине изоляции d приведена на рнс. 8-4. Обычно г принимается равным
3—5 мм, что обеспечивает в современных конструкциях значения Анер
не выше 1,3.
Максимальная напряженность на поверхности меди может быть оценена
[8] по формуле
£max = X^l,8d/r+l. (8-8>
d
202
Особую опасность приобретает тангенциальная составляющая £t шах
максимальной напряженности.
Обычно Et тах не может быть достаточной для пробоя в продольной
щели (между слоями), т. е. превысить £о- Однако при пробое полости между
•слоями изоляционных лент, расположен-
ной нормально к поверхности токоведу-
щей части, может возникнуть тангенци-
альная составляющая, приводящая к по-
явлению разрядов по поверхности. За-
ряд, переносимый в единичном разряде,
доходит до 10~7 Кл, что более чем на
два порядка превышает максимально воз-
можный заряд в полостях, соответствующих
новой микалентной изоляции. Это может
быть объяснено возникновением разряда
в радиальной полости, развивающегося
далее по щелям в виде скользящих раз-
рядов между слоями изоляции.
в-З. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Выдержка изоляции электрических
машин под напряжением, превышающим
определенный уровень, приводит к суще-
ственному возрастанию характеристик ч. р.
Уровень напряжения, приводящий к та-
кому возрастанию, зависит от типа и со-
стояния изоляции.
На рис. 8-5 [43] приведены завнсимо-
Рнс. 8-4. Зависимость коэффи-
циента неравномерности поля
в пазу статора Квер = Ешах/Еор
от отношения радиуса закруг-
ления меди г к толщине изо-
ляции d
стн амплитуды импульсов ч. р. от напря-
жения для образцов микалентной изоля-
.цни электрической машины {7ВОм=6,3 кВ до и после выдержки при повы-
шенном напряжении. Для монолитной изоляции (без газовых прослоек) воз-
действие напряжения 1,5 <7Вом в течение 6—6,5 ч н циклов воздействия
(подъем и снижение напряжения ступенями по 1 кВ с выдержкой на
каждой ступени 5—7 мни) прн наибольшем напряжении 2,5 <7ВОМ практиче-
ски не приводят к изменению характеристик ч. р.
Аналогичные воздействия для вспухшей изоляции приводят к значитель-
ному возрастанию характеристик ч. р., что свидетельствует о разрушении
изоляции этими ч. р.
Воздействие на монолитную изоляцию напряжения 3,5 £/ВОм в течение
:22—24 ч также приводит к увеличению характеристик ч. р. (рис. 8-6).
В [35] исследовалось влияние теплового старения и вибраций на измене-
ние характеристик ч. р. в изоляции электрических машин. Опыты произво-
дились на образцах изоляции толщиной 3 мм, что соответствует номиналь-
ному напряжению машин 6,6 кВ, причем исследованию подвергалась мнка-
.лентная, эскапоновая изоляция, а также мнкалента с эскапоном и слюдинит
с эскапоном. Было установлено, что напряжение начальных ч. р. у всех
конструкций изоляции ниже фазного рабочего напряжения. В процессе теп-
лового старения происходит разрушение главным образом бнтумно-масляных
связующих и бумаги. На рис. 8-7 приведены функции распределения тока
ч. р. в образцах различных типов изоляции до н после теплового старения.
Как следует из приведенных данных, после теплового старения ток ч. р.
возрастает приблизительно в 8—10 раз, причем по абсолютному значению
ток ч. р. в компаундированной микалентной изоляции приблизительно
® 4—5 раз больше, чем в эскапоновой изоляции.
203
Рис. 8-5. Зависимость ам-
плитуды импульсов ч. р.
от напряжения для образ-
цов микалентной изоляции
электрической машины
6,3 кВ до выдержки под
напряжением (Л 3), после
выдержки под напряже-
нием 1,5 17ном в течение
6—6,5 ч (2, 4) в монолит-
ной (1, 2) и иемонолитной
(3, 4) изоляции (7=20° С)
Рис. 8-6. Амплитуды импульсов ч. р.
до выдержки (1), при выдержке (2)
и после выдержки (3) под напряже-
нием 3,5 Uном в течение 22—24 ч
в монолитной изоляции при 18—20°С
Рис. 8-7. Функции распределения тока ч. р. в выборке образцов микалент-
ной компаундированной изоляции (а) и эскапоновой изоляции (б) при Е=
= 1,5 кВ/мм
1 — исходное состояние; 2 — после теплового старения; 3 — после теплового старения
и вибрации
204
Еще более сильно возрастает ток ч. р. после теплового старения и ви-
браций. Например, в микалентиой изоляции тепловое старение и вибрации
приводят к возрастанию максимального кажущегося заряда ч. р. в 5 раз,
числа ч. р. в секунду — в 4,5 раза и тока ч. р. в 11,5 раз, что свидетель-
ствует об образовании трещин, расслоений и щелей.
Увлажнение изоляции электрических машин может привести к суще-
ственным изменениям характеристик ч. р. [20].
В изоляции, для которой характеристики ч. р. измерялись через 7—10 мин
после извлечения из воды, увеличение интенсивности ч. р. при напряжении
2 f/ном происходит только до оп-
ределенной степени увлажнения
изоляции. При дальнейшем ув-
лажнении изоляции интенсив-
ность ч. р. может даже умень-
шаться. Этого не происходит при
измерениях характеристик ч. р.
через 144 ч после извлечения из
воды (рис. 8-8). При определен-
ной степени увлажнения появля-
ется максимум в зависмости ха-
рактеристик ч. р. от напряжения.
Таким образом, в определен-
ных случаях увлажнение изоля-
ции может привести к существен-
ному увеличению характеристик
ч. р. Однако судить об увлаж-
Рис. 8-8. Значения интенсивности U4.p
ч. р. в микалентиой компаундированной
изоляции на напряжение 6 кВ при раз-
личном ее увлажнении; измерения че-
рез 144 ч после извлечения из воды
1 — до увлажнения; 2 — после пребывания
в воде 24 ч; 3 — после пребывания в воде
72 ч; 4 — после пребывания в воде 90 ч
постепенно нарастая. Падение интенсив-
ненности изоляции по характери-
стикам ч. р. ие представляется
возможным, так как иногда ув-
лажнение изоляции может при-
вести к уменьшению интенсивно-
сти ч. р.
Наблюдения за изменением
характеристик ч. р. в процессе
длительного приложения напря-
жения показали, что интенсив-
ность ч. р. циклически изменяется,
ности ч. р. в определенные интервалы времени ие является признаком за-
медления старения, а представляет собой одни из этапов старения, так как
после него обычно наблюдается увеличение интенсивности ч. р. Была сде-
лана попытка установить связь между характеристиками ч. р. и сроком
службы изоляции. На рис. 8-9 показана зависимость между сроком службы
образцов и интенсивностью ч. р., измеренной измерителем помех при [=
= 1 МГц и напряжении 23 кВ. Приведенные данные показывают, что наблю-
дается определенная тенденция к меньшим срокам службы у образцов, име-
ющих большую интенсивность ч. р. Необходимо отметить, что указанная
связь проявляется слабее, если характеристики ч. р. измерять при более низ-
ких напряжениях. При 10 кВ такая связь уже не была обнаружена.
Весьма показательна связь между средней скоростью изменения (увели-
чения) интенсивности ч. р. и сроком службы (рис. 8-10). Эта связь отчет-
ливо проявляется и при меньших испытательных напряжениях, что свиде-
тельствует о значительном влиянии общей скорости разрушения изоляции
на срок службы.
Исследование [4] электрического старения образцов изоляции различных
типов показало, что изменения характеристик ч. р. в процессе старения
имеют свои особенности. Так, например, в изоляции из слюдопласта иа
битумном связующем перед пробоем наблюдается рост амплитуд максималь-
ных импульсов ч. р. '
В изоляции слюдотерм по данным [5] в процессе старения наблюдается
значительное возрастание интенсивности ч. р.
205
Рис. 8-9. Зависимость между интенсивностью ч. р. до старения
при 23 кВ и сроком службы образцов
X — новые образцы; • — разбухшие образцы
После механического старения длительная электрическая прочность ми-
калентной изоляции снижается, что сопровождается ростом амплитуды мак-
мкВ
2000
S. ,т
® 1600
3 1400
£
S 1200
1000
800
600
400
200
•
•
X
•
• • д сл
2 ч в 8 10 12 14 16 1S 20 22 24 «
Рис. 8-10. Зависимость между скоростью изменения ин-
тенсивности ч. р. и сроком службы образцов
X — новые образцы; • — разбухшие образцы
симальных импульсов ч. р. и увеличением их зависимости от напряжения
(рис. 8-11). В работе делается также заключение о наличии связи между
амплитудой максимальных импульсов ч. р. и сроком службы изоляции.
Сравнение образцов из слюдинита на термоактивном связующем показывает,
что образцы, у которых в процессе старения раньше начинается рост ампли-
туды максимальных токов, имеют значительно меньшие сроки службы.
Зависимости пробивной напряженности ЕПр от длительности т воздей-
ствия напряжения в ограниченной области времени хорошо отображаются
206
Рис. 8-11. Зависимость наивероятнейших значений
максимальных амплитуд импульсов ч. р. от прило-
женного напряжения для микалентной изоляции
VHom=6 кВ, прошедших тепловое старение при элек-
трическом старении напряжения 17=10 кВ до меха-
нического старения (1—5) и после механического
старения (!'—5')
1 и Г — до электрического старения; 2 н 2' — после старе»
ния в течение 40 ч; 3 и 3' — после старения в течение 240 ч;
4 и 4' — после старения в течение 400 ч; 5 и 5' —перед
пробоем
формулой (3-3). Характерные зависимости ЕПр = [(т) приведены на рис. 8-12
[17], для которых а=13.
Рис. 8-12. Зависимости пробивной
напряженности от длительности
воздействия для слюдотерма (/)
и микалетной компаундированной
изоляции (2) при вероятности про-
боя 50%
8-4. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Для измерения характеристик ч. р. в изоляции электрических машин мо-
гут быть применены те же схемы, что и для силовых трансформаторов
(см. § 6-6, рис. 6-24, а, б). Применяются регистрирующие устройства как
с широкополосными, так и с узкополосными усилителями. Затухание сигнала
при удалении ч. р. от места присоединения измерительного элемента состав-
ляет от 2 до 10 на частотах 100—500 кГц. На более высоких частотах (до
10 МГц) затухание увеличивается до 50.
Частоты собственных колебаний зависят от конструкции машины и ле-
жат в пределах 10—100 кГц, однако использование прибора, настроенного
на собственную частоту колебаний обмотки, может привести к существенным
погрешностям в измерениях характеристик ч. р. в различных машинах вслед-
ствие некоторого различия по собственным частотам колебаний.
207
ГЛАВА
9-1. ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время для регистрации ч. р. применяются два вида изме-
рительных устройств (ИУ): аналоговые и дискретные. В аналоговых ИУ при
прохождении по измерительному тракту входного сигнала размерность по-
следнего не меняется, в дискретных ИУ происходит преобразование входного
сигнала в последовательность импульсов, и в дальнейшем все измеритель-
ные операции ведутся с этими импульсами.
Аналоговые ИУ получили большое распространение. Они состоят из
фильтра верхних частот; усилителя; индикаторного устройства, в которое
могут входить дискриминатор, импульсный вольтметр, счетчик и осцилло-
граф (см. § 2-4). При апериодической высоковольтной схеме обычно приме-
няется широкополосный усилитель, при колебательной — узкополосный. В ряде
случаев для регистрации ч. р. используются измерители радиопомех или
специализированные ИУ с узкополосными усилителями, имеющими полосу
пропускания 10 кГц при частоте настройки 0,3—1 МГц.
К их достоинствам относится довольно хорошая помехозащищенность
(за счет сужения полосы пропускания удается избавиться от некоторых ви-
дов внешних помех).
Существенный недостаток — их малая разрешающая способность по вре-
мени вследствие колебательных процессов в высоковольтной схеме и усилителе,
неизбежных из-за узкой полосы пропускания, а также особенностей схемы
измерителей радиопомех. Вследствие этого показания аналогичных измери-
тельных устройств зависят от частоты следования ч. р., поэтому регистрируе-
мая такими приборами величина (измеряемая в микровольтах) обычно назы-
вается интенсивностью ч. р. Кроме этого, в иих возможно искажение показа-
ний за счет насыщения усилителя, которое может быть не обнаружено при ка-
либровке.
В последнее время большинство исследователей использует ИУ, содер-
жащие усилители с более широкой полосой пропускания (от 10 до 500 кГц
и выше). К ним относятся следующие измерительные устройства.
Отечественные ИУ:
1) разработанные ВЭИ имени В. И. Ленина [18, 19];
2) устройства типа «Короиа-2», «Корона-ЗМ», «Корона-5» [2, 11];
Зарубежные ИУ:
1) типа MUT8 фирмы TuR, ГДР [50];
2) ERA, модель III, фирмы FSR, Англия [48];
3) фирмы Hipotronics, США [46].
Ниже приведены сведения об этих аналоговых ИУ. Большинство ИУ по-
зволяет надежно регистрировать минимальный заряд ч. р. около 10-14 Кл
в образцах малой емкости (порядка 100 пФ и около 10-12 Кл —в образцах
емкостью до 1 мкФ.
Устройства со входными трансформаторами, предназначенные для изме-
рения ч. р. в больших емкостях, позволяют регистрировать минимальный заряд
около 10 пКл в емкостях до 250 мкФ.
208
9-2. УСТРОЙСТВО, РАЗРАБОТАННОЕ
ВСЕСОЮЗНЫМ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ИНСТИТУТОМ
ИМЕНИ В. И. ЛЕНИНА
ИУ позволяет измерять кажущийся заряд ч. р., частоту следования им-
пульсов, а также производить наблюдение и регистрацию импульсов ч. р.
при помощи электронного осциллографа [18]. Структурная схема ИУ приве-
дена на рис. 9-1.
Рис. 9-1. Структурная схема устройства ВЭИ
Входная цепь может варьироваться и представлять собой колебательный
контур LC, индуктивность, активное сопротивление и трансформатор (для
мостовых схем). Резонансные частоты контуров могут принимать следующие
значения: 10, 20, 47, 92, 145 и 210 кГц.
з t--------».
10 мкс
Рис. 9-2. Осциллограммы ч. р. при различных видах разверток
примененных в устройстве ВЭИ
Усилитель выполнен широкополосным и состоит из предусилителя и
собственно усилителя при общем коэффициенте усиления около 10е и полосе
пропускания от 5 до 250 кГц (при трансформаторном входе). При регистра-
ции импульсов с помощью осциллографа может быть использован усилитель,
имеющий полосу пропускания до 2 МГц, коэффициент усиления при этом
209
снижается до 103. В схеме предусмотрен блок, позволяющий отстраиваться
от устойчивых периодических помех.
Амплитудные и средние зиачеиия кажущегося заряда ч. р. измеряются
при помощи специальных приборов со стрелочными индикаторами. В устрой-
ство введена схема измерения скорости счета числа ч. р., позволяющая реги-
стрировать до 104 имп/с.
Наблюдение и регистрация импульсов ч. р. осуществляются с помощью
осциллографа с эллиптической (/) или спиральной (2) развертками (рис. 9-2).
Однократная спиральная раз-
вертка используется только для
фотографирования, позволяя
фиксировать развитие ч. р. иа
протяжении 5—6 периодов про-
мышленной частоты. Для более
детального исследования повто-
ряемости импульсов предусмот-
рена однократная линейная
развертка (<?), позволяющая
осуществлять регистрацию яв-
лений в интервале времени от
100 до 2000 мкс. Запуск схемы
регистрации осциллографа мо-
жет быть осуществлен от
кнопки или от регистрируемого
явления. В одной из модифи-
каций устройства дополнитель-
но предусмотрен самопишущий
прибор, регистрирующий сред-
нее значение кажущегося
ряда ч. р. [19].
уст-
9-3. УСТРОЙСТВО «КОРОНА»
за-
Для разносторонних
следований характеристик и
лучения более полной инфор-
мации о ч. р. в изоляции высо-
ковольтных устройств была
разработана серия модифика-
ций полуавтоматических уст-
ройств типа «Корона»: «Ко-
рона-2», «Корона-3» и «Коро-
иа-5». Устройство «Корона-2»
[2] позволяет измерять макси-
мальный кажущийся заряд
ч. р., ток ч. р., количество ч. р.
в определенном интервале зна-
чений кажущегося заряда,
а также наблюдать характер
ч. р. с помощью осциллографа.
Структурная схема установки
приведена иа рис. 9-3. В рас-
сматриваемой схеме импульс, возникающий на сопротивлении г при ч. р. в ис-
пытуемом объекте, после предварительного усилителя 1 поступает на осцилло-
граф и на амплитудный селектор, состоящий из усилителей-ограничителей 2,
соединенных последовательно. Усиленные импульсы воздействуют на поро-
говые одновибраторы 3 семи каналов I—IVI, которые соответствуют семи оп-
ределенным амплитудным уровням. Уровни изменяются от 1 мВ через каж-
дые 10 дБ при общем диапазоне 60 дБ.
Рис. 9-3. Функциональная схема
ройства «Корона-2» Сх — испытуемый
объект; R— измерительный элемент;
1 — предварительный усилитель; 2 — усили-
тель-ограничитель; 3 — пороговый одновибра-
тор; 4 — блок логической операции вычита-
ния; 5 — счетчик импульсов; 6 — фазовраща-
тель; 7 — электронное реле времени; 8 —элек-
тронный осциллограф; Тр — разделительный
понижающий трансформатор
ис-
по-
210
Импульсы с амплитудой, соответствующей порогу срабатывания одно-
вибраторов 3, нормализуются и проходят через логическую схему вычитания
на регистрирующее устройство лишь в том случае, когда с высшего ампли-
тудного уровня не поступил вычитающий импульс, и если с реле времени 7
поступил разрешающий импульс. Амплитудный селектор надежно работает
от импульсов любой формы при разрешающем времени 0,3 мкс и полосе
пропускания 2 кГц—10 МГц. В качестве регистрирующего устройства ис-
пользуются унифицированные пересчетные декады с цифровой индикацией
ИЗ-13 (максимальная скорость счета 1,5-106 имп/с). С помощью реле вре-
мени 7 может быть определена фаза появления импульсов ч. р.
Рис. 9-4. Функциональная схема устройства «Корона-5»
Z — эмиттерный повторитель; 2 — делитель напряжения входных сигналов; 3 — поло-
совой фильтр; 4 — делитель канала среднего тока ч. р.; 5 — предварительный усили-
тель; 6 — операционный усилитель; 7 — балансный усилитель; в —делитель канала
заряда ч. р.; 9 — пороговый усилитель; 10 — триггер с раздельными входами; 11 —
генератор сброса; /2 — схема измерения испытательного напряжения; 13 — самопишу-
щий быстродействующий прибор
Счет количества импульсов производится за определенный интервал вре-
мени, задаваемый реле времени 7, причем его запуск при больших времен-
ных интервалах (оо, 100, 10, 1 с) осуществляется вручную. При интервалах
времени 20 и 1,25 мс (что соответствует одному полупериоду частоты 50 и
400 Гц) начало и конец отсчета устанавливаются автоматически с помощью
опорного напряжения, фаза которого регулируется фазовращателем 6, пи-
таемым от сети через трансформатор Тр.
Для определения фазы появления ч. р. с помощью реле времени изме-
ряется интервал времени между импульсом, полученным от опорного на
пряжения в момент перехода синусоидального напряжения через нуль, и
первым импульсом ч. р.
Устройство позволяет регистрировать ч. р. с минимальным кажущимся
зарядом 10-14 Кл. Оно выполнено на полупроводниках с использованием
унифицированных узлов н стандартного осциллографа.
211
Ниже приводятся основные характеристики устройства:
Чувствительность, мВ:
с предусилителем........................... 0,1
без предусилителя..................... 1
Разрешающая способность по времени, мкс 1
Полоса пропускания.........................2 кГц— 10 МГц
Частота следования импульсов, имп/с, не бо-
лее .......................................... 1,5 10е
Число каналов амплитудного селектора ... 7
Емкость счетчиков соответственно амплитуд-
ным уровням:
1—9999 5—99
2—9999 6—99
3— 999 7— 9
4— 999
Частота, Гц..................................... 50
Напряжение сети питания, В...................... 220
Потребляемая мощность (без осциллографа),
Вт........................................... 300
Габариты, мм.............................. 800X1000X1520
Масса, кг ....................................... 100
В устройстве «Корона-5» (рис. 9-4) [11] в качестве регистрирующих эле-
ментов использованы самопишущие приборы типа Н-320, обеспечивающие
непрерывное измерение характеристик ч. р. во время испытаний. Установлен-
ные в измерителе полосовые фильтры 3 позволяют изменять верхнюю и ниж-
нюю частоты полосы пропускания. Нижняя частота может иметь значения
10; 300 и 1000 кГц, верхняя — 0,3; 1; 3 и 10 МГц.
9-4. УСТРОЙСТВО MUT8 ФИРМЫ TuR
Измерительное устройство MUT8 [50] выполнено на транзисторах и до-
пускает одновременное измерение заряда единичных ч. р., а также суммар-
ного заряда серии ч. р. в течение определенного интервала времени Л/. По
результатам измерений характеристик единичного ч. р. можно определить:
кажущийся заряд q4. р и частоту повторения импульсов пч. р. По резуль-
татам измерений характеристик серии ч. р. можно определить: суммарный
кажущийся заряд Q4. р, средний ток /ч, Р, среднюю энергию 1Уч. р, среднюю
мощность Рч. Р.
Характеристики q4. р и Q4. р определяются по показаниям стрелочных
приборов, а амплитудное значение <?ч. Р и промежутки времени между им-
пульсами могут быть определены по осциллограммам.
Средний ток 1ч. р определяется из соотношения: 1Ч. р = Q4, Р/Д/, где Д/—
интервал времени определения.
Частота повторения импульсов ч. р. пч. Р может быть определена с по-
мощью стандартного измерителя скорости счета, подключаемого к устрой-
ству. Мощность ч. р. может быть определена с помощью осциллографиро-
вания вольт-кулоновой характеристики, для чего на одну пару пластин
осциллографа подается Q4. р, а на другую — испытательное напряжение.
Структурная схема устройства изображена на рис. 9-5. Импульсы ч. р.
с измерительного элемента z поступают на переключатель полярности (7),
позволяющий измерять положительные или отрицательные импульсы. Далее
импульсы усиливаются широкополосным усилителем (2), коэффициент уси-
ления которого изменяется пятью ступенями через 10 дБ и плавно от 0 до
10 дБ. Возможно включение специальной схемы (3) для подавления помех,
находящихся в относительно узкой полосе частот. С выхода усилителя им-
пульсы поступают на два канала. В первом канале имеется интегрирующее
устройство (4), обеспечивающее на выходе сигнал, пропорциональный за-
ОО
ряду ч. р. (пропорциональный j" uBXdt, см. § 2-4). Этот сигнал через
о
212
каскад (5) далее подается на амплитудный вольтметр (6) со стрелочным при-
бором для измерения заряда <?ч. р. К этому каналу дополнительно могут
быть подключены осциллограф ЭО, регистрирующий прибор РП1, измеряю-
щие амплитуду <?ч. р, или счетчик импульсов для определения пч. р. Во вто-
ром канале также имеется интегрирующее устройство (4) с каскадом, сум-
мирующим импульсы в течение определенного интервала времени, и стре-
лочный прибор (6), измеряющий Q4. р. К этому каналу также могут быть
дополнительно подключены осциллограф (например, для осциллографирова-
Рис. 9-5. Структурная схема устройства MUT8
z — измерительный элемент; ЭО — электронный осциллограф;
РП1 и РП2 — регистрирующие приборы;
/ — переключатель полярности; 2— усилитель; 3 — каскад для подав-
ления внешних помех; 4 — интегрирующий каскад; 5 — каскад для из-
мерения заряда; 6—измерительный элемент; 7 — блок управления;
8 —генератор поверочных сигналов
ния вольт-куЛоиовой характеристики) или регистрирующий прибор РП2 для
дополнительного измерения Q4. р. В канале имеется аттенюатор, позволяю-
щий получить дополнительное ослабление сигнала Q4. р восемью ступенями
Таблица 9-1
Характеристики соединительного конденсатора
Тип ^НОМ’ кВ С, пФ Размеры, ММ Масса, кг
d а h
1000/100 100 1000 600 750 1420 140
500/200 200 500 600 1150 2400 250
250/400 400 250 1800 1720 4900 520
213-
по 10 дБ. Интервал времени измерения q4. Р и Q4. р задается блоком управ-
ления времени (7) и может быть изменен от 0,1 до 20 мс. К концу интер-
вала времени происходит гашение сохраненных значений q4. р и Q4. Р. Этот
процесс повторяется с частотой испытательного напряжения (50 Гц) при
определенном положении начала интервала времени по фазе, регулируемом
от 0 до 360°.
Технические данные устройства MUT-8
Кажущийся заряд......................1 пКл— 1000 пКл
Суммарный заряд......................1 пКл — 2 мкКл
Минимальный кажущийся заряд, регист-
рируемый осциллографом...............0,05 пКл
Спектр частот........................10 кГц — 10 МГц
Минимальная длительность импульса ч. р. 0,01 мкс
Максимальная длительность импульса
ч. р. при измерении q4 р...........0,5 мкс
Максимальная длительность импульса при
измерении суммарного заряда Q4 р . . 10 мкс
Частота повторения импульсов.........50 Гц — 200 кГц
Интервал времени.....................0,1—20 мс
Входное сопротивление................150 Ом
Частота и напряжение сети питания . . . 50 Гц, 220 В
Потребляемая мощность................100 Вт
Габариты............................... 540x360x193 мм
Масса................................10 кг
Технические данные генератора градуировочных импульсов
РЕТ-2
Заряд одного импульса................ 5, 25, 50, 250 пКл
дополнительный вы-
ход для генерации
требуемых зарядов
импульса
Частота следования импульсов..........100 Гц
Амплитуда импульсов...................0,5 В
Время иарастаиия импульсов............менее 0,05 мкс
Габариты.............................. 150 x 90 x 40 мм
Масса.................................0,6 кг
Питание...............................от батареи 4,8 В
В устройстве имёется градуировочный генератор (8) сигналов для про-
верки правильной работы и определения чувствительности ИУ. Для опреде-
ления чувствительности схемы измерения характеристик ч. р. предусмотрен
отдельный генератор градуировочных импульсов РЕТ-2. Вход устройства мо-
жет быть выполнен несимметричным и симметричным, что позволяет прово-
дить измерения по мостовым схемам.
Измерительный элемент устройства MUT-8 рассчитан иа ток 1 А и со-
стоит из иидуктивиости, служащей для отвода переменного тока промышлен-
ной частоты, переключаемых измерительных сопротивлений от 150 Ом до
12 кОм и импульсного трансформатора. Измерительный элемент снабжен
защитой от перенапряжений, возникающих вследствие разряда иа испытуе-
мом объекте. Сигнал с измерительного элемента подается на ИУ с помощью
коаксиального кабеля длиной до 25 м с волновым сопротивлением 150 Ом.
К устройству придается соединительный конденсатор (рис. 9-6) типа
WMCF, характеристики которого могут быть выбраны в соответствии
с табл. 9-1.
Устройство можно комплектовать с цифровыми и аналоговыми измери-
тельными и регистрирующими приборами: цифровыми вольтметрами для
214
измерения q4. р и Q4. р, счетчиками импульсов, двухкоордииатиыми самопис-
Йами. Измеренные величины далее могут выводиться на цифропечать и пер-
форатор для обработки информации иа ЭВМ. Имеется возможность пол-
ностью автоматизировать эксплуатацию уста-
новок н управлять ими с помощью перфолент.
9-5. УСТРОЙСТВО ERA, МОДЕЛЬ III ФИРМЫ FCR
Устройство ERA, модель III [48] имеет
входной широкополосный усилитель с шири-
ной полосы пропускания от 10 до 250 кГц.
Технические данные устройства ERA
Минимальный регистрируемый кажу-
щийся заряд, пКл при емкости
объекта:
до 1 нФ ........................ 0,05
до 1 мкФ....................... 1
до 250 мкФ..................... 15
Частота следования импульсов, имп/с,
не более........................... 3- Ю4
Входной сигнал усиливается при помощи вы-
сокочастотного трансформатора, включенного
перед усилителем, что позволяет использовать
устройство при регистрации ч. р. в объектах
различной емкости. С усилителя сигнал пода-
ется иа осциллограф с эллиптической разверт-
кой. Градуировка схемы производится с по-
мощью специального генератора импульсов,
подающего напряжение через градуировочную
Рис. 9-7. Схема подключения устройства Рис. 9-6. Габаритный
ERA, модель III, и градуировочного ге- чертеж конденсатора
нератора Г связи
С х— емкость испытуемого объекта; Со —со-
единительная емкость; Сг — градуировочная
емкость; Тр — входной высокочастотный
трансформатор
емкость на вход измерительного устройства в соответствии с рис. 9-7. При
этом градуировочный заряд:
<7г = A UrCr (1 4* Сх! Ср), (9-1 )>
где Д(7Г — амплитуда импульса градуировочного генератора.
215
Устройство обеспечивает возможность проведения измерений характе-
ристик ч. р. в образцах емкостью от 6 пФ до 250 мкФ при оптимальной
чувствительности.
9-6. УСТРОЙСТВО ФИРМЫ H1POTRON1CS
Фирмой Hipotronics [46] разработан ряд устройств для измерения харак-
теристик частичных разрядов (табл. 9-2) в комплекте с испытательными
трансформаторами на напряжение до 750 кВ, соединительными конденсато-
рами на напряжение до 250 кВ емкостью 0,004-т-0,002 мкФ, градуировочными
конденсаторами на напряжение до 250 кВ, высоковольтными фильтрами для
подавления внешних помех на напряжение до 200 кВ на ток до 10 А с ос-
лаблением помех на 60 дБ при частотах выше 30 кГц, высоковольтными
экранами сферической и тороидальной формы.
Выход градуировочного генератора: по заряду от 1 до 250 пКл, пара-
метры импульса напряжения — фронт 50 нс, длительность 200 мкс.
Технические данные устройств CDO
Таблица 9-2
Характеристика CDO-68-C CDO-3-68
Минимальный регистри- руемый заряд Чувствительность при отношении сигнал/по- меха равном 2/1 Полоса пропускания пе- реключаемая 20 пКл/cm при С = 0,5—0,75 мкФ 5 мкВ/см 1) По требованиям AEIC 2) 30 кГц ± 15% 3)70 кГц ± 15% 5 пКл/cm при Сх = = 0,1 мкФ 25 пКл/cm при Сх = = 0,5 мкФ 15 мкВ/см 1) 30 —300 кГц 2) 70 кГц ± 15%
Примечание. На экране осциллографа развертка линейная или
эллипическая.
9-7. УСТРОЙСТВО АРЧР, РАЗРАБОТАННОЕ
ЛЕНИНГРАДСКИМ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИМ ИНСТИТУТОМ
ИМЕНИ М. И. КАЛИНИНА
Разработанный А. А. Абрамовым автоматический регистратор ч. р.
.(АРЧР) построен по дискретному принципу.
Устройство позволяет в условиях электрических помех регистрировать
амплитудный спектр ч. р. в виде, удобном для ввода информации в ЭВМ.
Устройство, изготовленное из стандартных блоков электрофизической аппара-
туры и серийно выпускаемых приборов, просто в изготовлении, наладке и
эксплуатации. Устройство состоит из трех узлов: помехозащиты, анализатора
и узла выдачи информации.
Структурная схема узла для активного подавления помех с помощью
знако-временного принципа селекции состоит из регистрирующего и селек-
тирующего каналов и устройства синхронизации. Регистрирующий канал
содержит фильтр верхних частот Ф1, линейный усилитель У, усилитель-фор-
мирователь УФ1, дискриминатор Д и схему пропускания СП (рис. 9-8). Ка-
нал селекции содержит два аналогичных блока Ф2 и УФ2 (полярности вход;
ных сигналов УФ1 и УФ2 противоположны). Устройство синхронизации УС
.216
(вырабатывающее импульс длительностью в четверть периода испытатель-
ного напряжения), УФ1 и УФ2 подключены к схеме тройных совпадений СС,.
которая управляет СП.
Ч. р., возникающие в испытуемом объекте Сх, вызывают на резисторах
/?/ и R2 импульсы а противоположной полярности (рис, 9-9), которые от-
Рис. 9-8. Структурная схема устройства АРЧР для авто-
матической регистрации ч. р.
фильтровываются Ф1 и Ф2, усиливаются и формируются УФ1 и УФ2. Им-
пульс с выхода Ф1 усиливаются и анализируется Д (работа которого бу-
дет описана ниже). Нормированный импульс с Д проходит через СП на
блок интенсиметра И только при
наличии разрешающего импульса
с выхода СС, который возникает
только при совпадении по времени
трех импульсов с УФ1, УФ2 и УС.
Это происходит при соответствии
полярности импульсов ч. р. на R1 и
R2 входным полярностям УФ1 и
УФ2, что возможно только при ч. р.
в объекте Сх.
Импульсы помех на выходе Ф1
и Ф2 имеют одинаковую полярность,
поэтому срабатывает только один
УФ1, при этом СП будет закрыта,
так как разрешающий импульс от
СС отсутствует (рис. 9-9).
Описанный узел позволяет по-
давлять помехи без балансировки
высоковольтной схемы, что является
большим преимуществом при массо-
вых измерениях. Регистрация ч. р.
происходит только в течение чет-
верти периода, поэтому в четыре
раза уменьшается вероятность по-
падания помех, несинхронных с пи-
тающим напряжением, и устраня-
ется искажение амплитудного спек-
тра ч. р. за счет выбросов от
Рис. 9-9. График выходных напря-
жений блоков АРЧР при селекции
импульсов ч. р. в образце (а), ч. р.
по поверхности изоляции (&) и помех
в сети (с). Масштабы по осям не
соблюдаются. Индексы у напряже-
ний соответствуют обозначениям
блоков рис. 9-8.
217
импульсов ч. р. противоположной полярности на следующем полупериоде
испытательного напряжения.
Структурная схема узла анализатора амплитудного спектра ч. р. со-
стоит из дискриминатора Д, интенсиметра И (измерителя частоты следова-
ния импульсов), двухкоординатного самописца ДС и блока команд БК
(рис. 9-8).
Импульсы, поступающие с У, превышающие уровень дискриминации
•^дис, который ступенчато изменяется с помощью БК, нормируются дискри-
минатором Д и через СП поступают на И. Медленно меняющееся постоянное
напряжение с выхода И, пропорциональное логарифму частоты следования
ч. р., подается на первый канал ДС; на второй канал с БК поступает на-
пряжение Сс, пропорциональное логарифму СДИс. После градуировки гра-
фик, получаемый на ДС, представляет собой амплитудный спектр ч. р.
Функционирование узла выдачи информации (рнс. 9-8) состоит в сле-
дующем: напряжение, снимаемое с И, подается на преобразователь «напря-
жение — код» ПНК, запускаемый при каждом переключении уровня дискри-
минации. Преобразователь кода ПК превращает параллельный двоичный
код в последовательный, с помощью которого управляется ленточный пер-
форатор ЛП. Таким образом записывается одна координата точки на амп-
литудном спектре ч. р.; порядковый номер записи (соответствующий уровню
дискриминации) является другой координатой.
Описанная схема устройства была реализована с помощью стандартных
блоков электрофизической аппаратуры.
Испытания показали, что данное устройство регистрирует амплитудный
спектр ч. р. в объекте с Сх=100 пкФ с зарядом от 1 до 10s пКл в динами-
ческом диапазоне 40 дБ при частоте следования ч. р. от 1 до 101 2 * 4 нмп/с за
время 10 с. При этом электрические помехи, моделировавшиеся с помощью
ч. р. по поверхности с частотой следования до 104 имп/с, подавляются
на 80 дБ.
Устройства, построенные на дискретном принципе, позволяют произво-
дить амплитудный и временной анализ ч. р. в однократном и непрерывном
режимах измерений, что весьма затруднительно для аналоговых устройств.
Так, например, специализированный анализатор спектра, разработанный фин-
ской фирмой NOKIA, позволяет изучать распределения ч. р. по размеру,
по длительности и по временным промежуткам между ними одновременно на
четырех образцах с записью результатов на двухкоординатиом самописце,
перфоленте, цифропечати или магнитофоне. Имеются блоки регулирования
высокого напряжения и синхронизации с сетью. Динамический диапазон чув-
ствительности этого устройства ориентировочно от 1 до 100 пКл, разрешаю-
щая способность по амплитуде импульсов — 40 мкВ, по времени — 1 мкс.
Для регистрации амплитудного спектра ч. р. могут применяться ампли-
тудные анализаторы, предназначенные для электрофизических исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александрова Н. П., Мани А. К- Развитие и обнаружение местных де-
фектов в кабельной изоляции.— В кн.: Изв. НИИПТ. Л.: Госэиергоиздат, 1961,
№ 7, с. 215—230.
2. Андрюхин С. П., Вдовико В. П. Установка для обнаружения и измере-
ния частичных разрядов в изоляции высоковольтных аппаратов.— В кн.:
Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. М.: Энергия, 1970,
с. 438—442.
218
3. Багиров М. А., Малии В. П., Абасов С. А. Воздействие электрических
разрядов на полимерные диэлектрики.— Баку: изд. ЭЛМ, 1975. 167 с.
4. Баженова Т. Ю. Использование ионизационных характеристик для
сравнительной оценки некоторых новых видов изоляции.— В кн.: Ионизаци-
онное старение, короностойкость и методы испытаний высоковольтной изоля-
ции. М.: ЦИНТИ ЭП, 1963, с. 121—130.
5. Баженова Т. Ю., Ваксер Б. Д. Исследование электрического старения
высоковольтной изоляции электрических машин.— Электричество, № 7, 1968,
с. 79—82.
6. Брагин С. М. Электрический и тепловой расчет кабеля.— М.— Л.: Гос-
энергоиздат, 1960. 328 с.
7. Бумажно-масляиая изоляция в высоковольтных коиструкцнях/М. А.
Грейсух, Г. С. Кучинский, Д. А. Каплан, Г. Т. Мессерман. М.— Л., Госэнерго-
издат, 1963. 300 с.
8. Ваксер Б. Д. Ионизационные процессы и конструирование статорной
изоляции высоковольтных машин,—В кн.: Электросила, М.— Л.: Энергия,
1965, № 24, с. 85—89.
9. Варшавский Д. С. Пути повышения качества силовых конденсаторов.
М.: ЦИНТИ ЭП, 1963. 216 с.
10. Варшавский Д. С. Ускоренные испытания конденсаторов переменного
тока на срок службы.— В кн.: Изв. вузов. Энергетика, 1969, № 12, с. 98—102.
11. Вдовико В. П. Методы исследования электрического старения твердой
и комбинированной изоляции.— В кн.: Электрофизические проблемы примене-
ния твердых и комбинированных диэлектриков в технике высоких напряже-
ний, Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1974, с. 94—99.
12. Влияние увлажнения на электрические характеристики бумажно-
масляной изоляции конденсаторного типа при переменном напряжении про-
мышленой частоты/Г. С. Кучинский, Г. Г. Лысаковский, Ю. В. Берзин и др.—
Электричество, 1969, № 10, с. 69—72.
13. Гордеев Г. М., Перфилетов А. Н. Исследование предпробивных про-
цессов в полиэтиленовой высоковольтной кабельной изоляции.— Труды Л ПИ,
1966, К» 276, с. 146—152.
14. ГОСТ 20074—74. Электрооборудование и изоляция на напряжение
свыше 1000 В. Методы измерения характеристик частичных разрядов. Введен
13.08.74; Срок действия с 01.01.77 до 01.01.82.— 1974.
15. ГОСТ 21023—75. Трансформаторы силовые. Методы измерений ха-
рактеристик частичных разрядов при испытаниях напряжением промышлен-
ной частоты: Введен 25.06.75; Срок действия с 01.01.77 до 01.01.82.— 1975.
16. Дмитревский В. С., Румянцев Д. Д. Высоковольтные гибкие кабели.
М.: Энергия, 1974, 175 с.
17. Ермолии Н. П., Жерихии И. П. Надежность электрических машин. Л.:
Энергия, 1976. 248 с.
18. Зайцев К. А. Прибор для изучения частичных разрядов в диэлектри-
ках.— Вестник электропромышленности, 1960, № 10, с. 58—61.
19. Зайцев К. А., Шарлот С. А. Автоматическая регистрация частичных
разрядов в электрической изоляции.— Электротехника, 1966, № 6, с. 51—54.
20. Ильченко Н. С., Заика В. В. К вопросу ионизационного старения крем-
нийорганической изоляции высоковольтных электрических машин.— В кн.:
Ионизационное старение и короностойкость высоковольтной изоляции. М.:
ЦИНТИ ЭП, 1960, с. 102—113.
21. Ильченко Н. С., Кириленко В. М. Полимерные диэлектрики.— Киев:
Техн1ка, 1977, 170 с.
22. Каплан Д. А., Лохаиии А. К., Морозова Т. И. Вольт-секундная ха-
рактеристика главной изоляции силовых трансформаторов.— Электричество,
1971, № 12, с. 37—41.
23. Клейи А. А. Повреждение маслобарьерной изоляции частичными раз-
рядами.— Электротехническая промышленность, 1969, вып. 938, с. 24—30.
24. Койков С. Н., Фомин В. А. Разрушение полиэтиленовой пленки в га-
зовом разряде, направленном перпендикулярно и параллельно поверхности
пленки.— Высокомолекулярные соединения, 1969, 11Б, с. 224—228.
219
25. Конков С. Н., Цикин А. Н. Электрическое старение твердых диэлек-
триков.— М.— Л.: Энергия, 1968. 186 с.
26. Кучинский Г. С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л.: Энер-
гия, 1973. 175 с.
27. Кучинский Г, С., Лапшин В. А. Лысаковский Г. Г. Разрушение поли-
этилена дендритами при переменном и импульсном напряжении в электриче-
ском поле с различной степенью неоднородности.— В кн.: Тезисы докладов Все-
союзного н.-т. совещания «Новые разработки и исследования в области элек-
трической изоляции». Харьков — Л.: НТОЭиЭП, 1975, с. 12—15.
28. Кучинский Г. С., Лысаковский Г. Г., Шилин О. В. Вопросы надежно-
сти изоляции высоковольтных импульсных конденсаторов.— Электричество,
№ 9, 1978, с. 37—42.
29. Лапшин В. А., Лысаковский Г. Г. Статистические закономерности про-
боя полиэтиленовой изоляции при ограниченном сроке службы.— В кн.: Изв.
вузов. Энергетика, 1973, № 12, с. 21—26.
30. Лапшин В. А., Лысаковский Г. Г., Чуракова Н. А. Исследование ден-
дритов в полиэтиленовой изоляции кабелей при переменном напряжении про-
мышленной частоты.— Тр. ЛПИ. Электроэнергетика, 1973, № 330, с. 110—115.
31. Лоханин А. К., Морозова Т. И., Погостин В. М. Перенапряжения и
частичные разряды в трансформаторах.— В кн.: Итоги науки и техники.
Электрические машины и аппараты, т. 7. М.: 1973. 94 с.
32. Морозова Т. И. Электрическая прочность концевой изоляции обмоток
высоковольтных трансформаторов.— Труды ВЭИ. Вопросы трансформаторо-
строения, 1969, вып. 79, с. 33—70.
33. Морозова Т. И. Электрические характеристики изоляции мощных вы-
соковольтных трансформаторов при воздействиях типа коммутационных пе-
ренапряжений.— Электричество, 1968, № 1, с. 22—26.
34. Морозова Т. И., Сапожников А. В. Некоторые проблемы развития
нормативов на уровни изоляции силовых трансформаторов высокого напря-
жения.—Электротехника, 1974, № 4, с. 1—6.
35. Мякинин Е. Г., Попков А, А., Саплин Л. А. Обнаружение структур-
ных разрушений в изоляции электрических машин по характеристикам ча-
стичных разрядов,— В кн.: Электрофизические проблемы применения твердых
и комбинированных диэлектриков в технике высоких напряжений.— Ново-
сибирск: Наука. Сиб. отд., 1974, с. 107—112.
36. Мясничков В. Г. Неполный пробой и загрязнение полиэтиленовой изо-
ляции.— В кн.: Конструирование и исследование высокочастотных кабелей.
Л.: Энергия, 1974, с. 162—168.
37. Основы кабельной техники/Под ред. В. А. Привезенцева. М.: Энергия.
1975, 472 с.
38. Панов А. В., Морозова Т. И. Электрические характеристики и методы
расчета главной изоляции мощных высоковольтных трансформаторов.— Тру-
ды ВЭИ. Вопросы трансформаторостроения, 1969, вып. 79, с. 12—32.
39. Пинталь Ю. С. Ионизационные характеристики и старение бумажно-
масляной изоляции.— Электротехника, 1965, № 1, с. 58.
40. Сви П. М. Измерения частичных разрядов в изоляции оборудования
высокого напряжения энергосистем.— М.: Энергия, 1977. 199 с.
41. Силинский В. П. Эквивалентная схема для исследования механизма
частичных разрядов в диэлектриках.— В кн.: Устройства электропитания и
электропривода малой мощности, т. 2.— М.: Энергия, 1970, с. 244—255.
42. Силовые электрические конденсаторы/Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров,
Г. Т. Назарова, И. Ф. Переселенцев. М.: Энергия, 1975. 247 с.
43. Хвальковский А. В. Вопросы надежности изоляции статорных обмо-
ток генераторов.— М.: Энергия, 1966. 240 с.
44. Частичные разряды в изоляции высоковольтных трансформаторов/
В. В. Гурин, И. С. Калиниченко, А. М. Конторович и др.— Электричество,
1971, № 3, с. 20—25.
45. Электрические характеристики маслобарьерной изоляции силовых
трансформаторов./Д. А. Каплан, Г. С. Кучинский и др.— Электричество, 1968,
№ 7, с. 58—61.
220
46. Corona detection equipment, Hipotronics, HP7110, Brewster, N. Y.,
USA, 1972, 11 p.
47. Curtis G. A. Impregnated plastic film paper power capacitors. The
BEAMA El. Ins. Conf., sess. 4, Power Capac., Paper 4a, 1970.
48. ERA Discharge Detector, Model III. F. C. Robinson and Partners
LTD, Cheadle, 1967, 43 p.
49. Galand I., Golinski 1., Labus-Nawrat K. La detection des decharges
partielles.— Rev. Gen. de 1’Electr., t. 81, 1972, No. 12, p. 844—853.
50. Gerate und Verfahren zur breitbandigen Messung von Teilentladun-
gen. VEB Transformatoren- und Rontgenwerk Hermann Matern, Dresden,
Ag 27/85/73.^
51. Guyetand A. Recherche d’une formulation theorique de la duree de
vie des isolants solide. Toulouse, 1968, 127 p.
52. Kreuger F. H. Discharge detection in high voltage equipment. A. Hey-
wood Book, London, 1964. 223 p.
53. Lacoste R. Degradation, due aux decharges, des polymeres utilises
comme isolants dand le materiel electrique.— Les materiaux composites, Ed.
Eyrolles et Gauthier — Villars, Paris, 1972, p. 267—281.
54. Lemke E. Ein Beitrag zur Messung impulsloser Teilentladungen bei
Wechselspannung. Elektrie, Bd. 30, H. 9, 1976, S. 479—482.
55. Menkart G. R., Waldon P. L. New SxT formula uses temperature and
voltage as key to longer life capacitors.— CIGRE, 1964, sl/s8.
56. Methods of measurement of radio influence voltage (RIV) of high-
voltage apparatus. NEMA Standard 5—18—1964, Pub. No. 107, 8 p.
57. Mole G., Paroff P. G., Kendall P. G. Measurement of the magnitude
of internal discharges in power capacitors.—Proc. IEE, v. 116, 1969, p. 847.
58. Muller R., Potthoff K., Soldner K. The analysis of gases dissolved in
the oil as a means of monitoring transformers and detecting faults.— CIGRE,
rep. 12—02, 1970.
59. Partial discharge measurements.— IEC, publ. 270, 1968, 56 p.
60. Partial discharge measurements in transformers and their interpreta-
tion/F. Viale, G. Wind et al —CAGRE, rep. 12—12, 1968.
61. Power capacitors with mixed apper and polypropylene dielectric/D. Za-
nobetti, G. A. Gertsch et al.— CAGRE, rep. 15—04, 1970.
62. Stamm H., Schulze W. The deterioration of insulation consisting of
paper-oil layers and its study by gas chromatography.— CIGRE, rep. 12—14,
1968.
63. Thoeng A. T. Some aspects of the travailing wave detection method
for location partial discharges in transformers.— CIGRE, rep. 12—02, 1968.
64. Veverka A., Hon A. New method of location of internal discharges in
transformers.— CIGRE, rep. 109, 1966.
65. ’ Water trees in cross-linked polyethylene power cables/T. Tanaka, T. Fu-
kuda et al.— IEEE Trans. Pow. App. Syst., v. 93, 1974, No 2, p. 693—701.
66. Wetzel R. E., Prachauser T. C. Measurement of partial discharge on
transformers and their elements.— CIGRE, rep. 12—10, 1968.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................... 3
. Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
1-1. Понятие о частичном разряде.......................................... 7
1-2. Основные характеристики частичных разрядов .....................10
• 1-3. Частичные разряды при переменном напряжении..........................17
1-4. Диэлектрические потери при наличии частичных разрядов ... 23
1-5. Зависимость напряженности частичных разрядов от толщины.ди-
электрика : s 24
1-6. Частичные разряды при постоянном напряжении......................29
1-7. Частичные разряды при импульсном напряжении......................34
. Глава 2. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
2-1. Цели измерения характеристик частичных разрядов и измеряемые
величины....................................................... •. 37
2-2. Методы и схемы измерения характеристик частичных разрядов . 38
2-3. Требования к устройствам для измерения характеристик частич-
ных разрядов....................................................46
2-4. Рекомендуемые характеристики отдельных элементов устройств
для измерения одной или нескольких характеристик частичных раз-
рядов ..........................................................47
2-5. Схемы для измерения мощности частичных разрядов......................54
2-6. Поверка и градуировка устройств для измерения характеристик-
частичных разрядов..............................................56
2-7. Предельная чувствительность схем регистрации и ее зависимость
от емкости объекта..............................................63
2-8. Применение измерителей радиопомех для измерения интенсивности
частичных разрядов..............................................66
2-9. Общие методические соображения о проведении измерений уровня
помех и характеристик частичных разрядов........................70
Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
3-1. Основные процессы разрушения изоляции частичными разрядами 72
3-2. Характеристика частичных разрядов, определяющие разрушение
изоляционных материалов.........................................78
3-3. Энергетические характеристики разрушения изоляционных матери-
алов .......................................................... 79
3-4. Влияние температуры на электрическое старение изоляции ... 81
3-5. Изменение электрической прочности в процессе старения .... 81
3-6. Статистические закономерности старения изоляции при воздейст-
вии частичных разрядов..........................................90
3-7. Определение допустимых напряженностей............................94
222
Глава 4. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ
КОНДЕНСАТОРОВ
' 4-1. Особенности развития частичных разрядов в изоляции конденса-
торов .......................................................97
4-2. Зависимость напряженности частичных разрядов от толщины ди-
электрика ..................................................105
4-3. Влияние различных факторов на характеристики частичных раз-
рядов ......................................................'06
4-4. Особенности электрического старения изоляции конденсаторов и
зависимость срока службы от напряженности электрического поля ИЗ
4-5. Выбор допустимых рабочих напряженностей электрического поля 118
4-6. Особенности измерения характеристик частичных разрядов в изо-
ляции конденсаторов.........................................121
Глава 5. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ
5-1. Особенности развития частичных разрядов в изоляции кабелей . 125
5-2. Частичные разряды в кабелях с вязкой пропиткой........129
5-3. Частичные разряды в маслонаполненных кабелях..........130
5-4. Частичные разряды в кабелях с пластмассовой изоляцией . . . 133
5-5. Зависимость электрической прочности кабельной изоляции от дли-
тельности воздействия напряжения 137
5-6. Выбор допустимых рабочих напряженностей электрического поля 139
5-7. Особенности измерения характеристик частичных разрядов в изо-
ляции кабелей............................................141
Глава 6. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ
6-1. Основные виды частичных разрядов в силовых трансформаторах 149
6-2. Зависимость характеристик частичных разрядов от напряженно-
сти .электрического поля . . ....................154
6-3. Частичные разряды в маслобарьерной изоляции при импульсных
напряжениях.................................................165
6-4. Разрушение маслобарьериой изоляции частичными разрядами . .168
6-5. Длительная прочность маслобарьерной изоляции и допустимые
напряженности................................................172
6-6. Особенности измерений характеристик частичных разрядов в сило-
вых трансформаторах.........................................175
Глава 7. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В АППАРАТНОЙ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ
7-1. Особенности структуры аппаратной бумажно-масляной изоляции 187
7-2. Частичные разряды при переменном напряжении.................188
7-3. Зависимость напряженности частичных разрядов от толщины изо-
ляции . :.......................................190
7-4. Влияние влажности на характеристики частичных разрядов в ап-
паратной бумажно-масляной изоляции...........................191
7-5. Частичные разряды при импульсных напряжениях................192
7-6. Частичные разряды при постоянном и пульсирующем напряжениях 194
7-7. Выбор допустимых радиальных напряженностей электрического
поля........................................................... ; 196
7-8. Особенности измерения характеристик частичных разрядов в аппа-
ратной изоляции..............................................199
Глава В. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
8-1. Особенности развития частичных разрядов в изоляции электриче-
ских машин.................................................... . 200
8-2. Условия возникновения частичных разрядов в изоляции электри-
ческих машин............................................ . . . 200
223
8-3. Изменение характеристик частичных разрядов в процессе длитель-
ного воздействия напряжения . :...............................203
8-4. Особенности измерения характеристик частичных разрядов в изо-
ляции электрических машин.....................................207
Глава 9. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
9-1. Виды измерительных устройств..................................208
9-2. Устройство, разработанное Всесоюзным электротехническим инсти-
тутом имени В. И. Ленина . :..................................209
9-3. Устройство «Корона» . :.....................................210
9-4. Устройство MUT8 фирмы TuR...................................212
9-5. Устройство ERA, модель III фирмы FCR..........................215
9-6. Устройство фирмы Hipotronics................................216
9-7. Устройство АРЧР, разработанное Леиииградским политехническим
институтом имени М. И. Калинина . : :........................216
Список литературы . : : :..........................................218
Георгий Станиславович Кучинский
ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Редактор Б. И. Леонова
Художественный редактор Д. Р. Стеванович
Технический редактор А. Г. Рябкина
Корректор В. В. Румянцев
Оформление художника В. В. Белякова
ИБ 2449
Сдано в набор 26.07.79. Подписано в печать 11.10.79. М-29302.
Формат бОХЭО'Лв. Бумага типографская № 1. Гарнитура
литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 14. Уч.-изд. л.
15,53. Тираж 5000 экз. Заказ 1730. Цена I р. 30 к.
Ленинградское отделение издательства «Энергия».
191041, Ленинград, Д-41, Марсово поле, 1.
Ленинградская типография Уд 4 Ленинградского производ-
ственного объединения «Техническая книга» Союзполиграф-
прома при Государственном комитете СССР по делам из-
дательств, полиграфии и книжной торговли. Ленинград,
Д-126, Социалистическая ул., 14.