Wytrzymałość dielektryczna dielektryków ciekłych

Wytrzymałość dielektryczna dielektryków ciekłych

Wytrzymałość dielektryczna dielektryków ciekłych
Wiadomości podstawowe
W urządzeniach elektrycznych jako dielektryki stosuje się ciecze izolacyjne.
Najpospolitszą grupę takich cieczy stanowią oleje mineralne, stosowane najczęściej
w transformatorach i kablach. Są to produkty destylacji ropy naftowej zawierające mieszaninę
węglowodorów nasyconych lub aromatycznych. Posiadają one wysoką wytrzymałość
dielektryczną, duże przewodnictwo cieplne, zdolność chłodzenia lub gaszenia łuku. Są to
płyny zapalne, zwłaszcza po podgrzaniu.
Drugą grupę stanowią oleje syntetyczne. Są to głównie oleje polichlorofenylowe,
których głównymi zaletami są: niepalność, wysoka wytrzymałość dielektryczna, duża
przenikalność elektryczna i odporność na starzenie.
Osobną grupę stanowią ciecze silikonowe, które charakteryzują się dużą odpornością na
wysokie temperatury i mają niskie temperatury krzepnięcia.
O własnościach cieczy izolacyjnych decydują nie tylko własności fizyczne ich
podstawowych składników lecz w znacznej mierze: stopień zanieczyszczeń i zestarzenia się.
Z tego względu zachowanie się cieczy jako dielektryka może być różne i mechanizm jej
przebicia może wynikać z różnych przyczyn. W celu rozgraniczenia własności dowolnej
cieczy mówić należy o oleju chemicznie czystym, o oleju technicznie czystym, w którym
liczba domieszek jest sprowadzona do praktycznego minimum oraz o oleju znajdującym się w
eksploatacji, w którym liczba zanieczyszczeń może być duża, lecz może jeszcze nie zagrażać
prawidłowej pracy urządzeń
Ponieważ liczba zanieczyszczeń i pogorszenie własności olejów w czynnych
urządzeniach następuje z biegiem czasu wskutek starzenia, konieczna jest okresowa kontrola
jakości oleju przez wykonywanie badań okresowych, których celem jest sprawdzenie
własności fizycznych i elektrycznych.
Własności fizyczne olejów mineralnych kontroluje się określając następujące wielkości:
lepkość oleju, temperaturę krzepnięcia, temperaturę zapłonu i liczbę kwasową. Własności
elektryczne sprawdza się badając jego wytrzymałość na przebicie w określonym przez normy
układzie elektrod.
Jeżeli okresowo badany olej nie ma zadowalających parametrów należy doprowadzić go
stanu zdatnego do dalszej eksploatacji bądź wymienić go na nowy. Doprowadzenie do
zadawalającego stanu może być osiągnięte przez filtrowanie w celu usunięcia zanieczyszczeń
35
stałych i wody, gotowanie lub odwirowanie w celem dalszego osuszenia. Regeneracja polega takżee na chemicznej rafinacji i oddzieleniu składników szkodliwych, produktów
utlenienia itp., które mogąą pogarszać
pogarsza własności izolacyjne i zwiększać stratność
stratno dielektryczną
oleju.
Można szacować,
ć żee w temperaturze pokojowej przy napięciu
napi
napię
przemiennym
o częstotliwości
ci 50 Hz , dobry olej powinien mieć
mie współczynnik strat tg δ rzędu 10-4...10-3,
podczas gdy olej zanieczyszczony
zanieczysz
produktami zestarzenia może
że mieć w tych samych
warunkach tg δ rzędu
ędu 10-2...10-1, a nawet i więcej.
cej. Pomiar współczynnika strat
dielektrycznych jest dlatego jeszcze jednym, ważnym
wa
wskaźnikiem jakości
ści oleju.
Zależność tg δ oleju transformatorowego od zawartości wilgoci w.
Natężenie
enie E = 5 kV/cm, temperatura 40 oC.
Mechanizm przebicia oleju jest złożony
zło
i zależny od jakości
ci i własności
własnoś badanego oleju.
Na mechanizm ten składaćć się może szereg zjawisk, rozpatrywanych często
ęsto niezależnie
niezale
jako
odrębne mechanizmy
hanizmy tworzenia się
si w oleju wyładowań elektrycznych.
Mechanizm elektronowy przebicia oleju
W oleju pozbawionych zanieczyszczeń
zanieczyszcze stałych, płynnych lub gazowych przebicie
układu izolacyjnego, podobnie jak w gazach, odbywa się
si na zasadzie tworzenia kanału
ka
plazmowego pomiędzy
dzy elektrodami. Osiągnięcie
Osi
dużych natężeń pola przy katodzie staje się
si
przyczyną autoemisji i jonizacji zderzeniowej prowadzącej
prowadz cej do lawin, przy jednoczesnym
powstawaniu ładunku przestrzennego, odkształcającego
odkształcaj cego rozkład pola. Ruch elektronów
ele
powoduje równocześnie
śnie nagrzewanie i wrzenie otaczającej
otaczaj cej cieczy, wskutek czego kanał
36
wyładowania tworzy się w postaci gazowego kanału plazmowego. Rozwój tego kanału jest
jednak wolniejszy niż w gazie i odbywa się z prędkością rzędu 3⋅105 cm/s.
W oleju obserwowane być mogą wyładowania niezupełne w postaci świetleń, snopień
i pozałamywanych kanałów. Powstające wyładowania rozkładają olej, przy czym produkty
rozkładu zmieniają stopień czystości oleju i mogą wpływać na mechanizm wyładowania.
Przyjmuje się, że olej, w którym powstają wyładowania, traci własności izolacyjne, wskutek
czego ważne jest niedopuszczanie do wyładowań.
Mechanizm gazowy przebicia oleju
Mechanizm ten zachodzi w oleju czystym lecz nieodgazowanym, w którym znajdujący
się w postaci pęcherzyków gaz może być wynikiem parowania składników lotnych, np. przy
podgrzaniu, lub wynikiem zawartości powietrza. Mechanizm ten nazywany jest często
jonizacyjnym. Pęcherzyki gazowe stają się zalążkami jonizacji lawinowej i silnie
zjonizowany pęcherzyk staje się elementem kanału plazmowego. Pęcherzyk gazowy
powiększa się i wydłuża w kierunku pola.
Mechanizm
gazowy
tłumaczy
obserwowaną
często
zależność
wytrzymałości
dielektrycznej oleju od ciśnienia, które wpływa na wartość naprężenia początkowego jonizacji
w pęcherzykach gazowych.
Mechanizm mostkowy przebicia oleju
Mechanizm
mostkowy
występuje
w
oleju
zanieczyszczonym.
Przyczyną
zanieczyszczeń mogą być ciała stałe, najczęściej włókniste oraz płynne, z których
najważniejszą rolę odgrywa wilgoć.
Włókna zanieczyszczeń ulegają przemieszczaniu w polu elektrycznym i zajmują
położenie ukierunkowane siłami pola. Przy dużej gęstości zanieczyszczeń i przy
jednoczesnym ich zawilgoceniu mają one tendencję do ustawiania się wzdłuż linii natężeń
pola tj. na drodze, na której formuje się kanał wyładowania. Włókna łącząc się w tzw. mostki,
wytwarzają pomiędzy elektrodami drogę o obniżonej wytrzymałości. Ponieważ tworzenie się
mostka jest stosunkowo wolne, mechanizm mostkowy odgrywa rolę przy napięciach stałych
i wolnozmiennych. Przy napięciach udarowych ten mechanizm nie występuje.
Temu mechanizmowi przebicia można skutecznie przeciwdziałać stawiając pomiędzy
elektrody układu izolacyjnego w przestrzeniach wypełnionych olejem przegrody izolacyjne
z materiału stałego o niewielkiej grubości.
37
Zależność natężenia
enia przebicia oleju transformatorowego Ed w funkcji wilgotności
wilgotno
względnej w
Wytrzymałość dielektryczna dielektryków stałych
Wiadomości podstawowe
Przebicie dielektryka stałego, podobnie jak w przypadku
przypadku dielektryka gazowego
i ciekłego, polega na wytworzeniu się
si wyładowania i drogi silnie przewodzącej
przewodz
zwierającej
elektrody układu izolacyjnego. Po wyłączeniu
wył
napięcia
cia po przebiciu, dielektryk stały nie
regeneruje się,, przebicie powoduje trwałe zniszczenie układu i połączenie
poł
połą
elektrod
utworzoną, często zwęgloną
ę
ą drogą
drog przewodzącą.. Przebicie dielektryka stałego może
mo być
skutkiem zarówno osiągnięcia
ą ęcia określonej
okre
wartości napięcia,
cia, jak i zmiany właściwości
wła
dielektryka przy danym
anym napięciu.
napię
W każdym
dym przypadku mechanizm przebicia może
mo być
złożony
ony i wywołany pojedynczo lub wspólnie przez różne
ró ne zjawiska fizyczne o niezależnych
niezale
przyczynach.
Dielektryk stały najczęściej
najczęściej współpracuje równolegle z innym dielektrykiem ciekłym
lub gazowym,
wym, którym jest zazwyczaj powietrze. Przy jednoczesnym naprężeniu
napr
napręż
dielektryka
gazowego o mniejszej wytrzymałości,
wytrzymało
przy wzroście napięcia,
cia, najczęściej
najczęś
dochodzi do
wyładowania w gazie, nazywanego przeskokiem na izolatorze stałym, który nie ulega
przebiciu.
Celem spowodowania przebicia, dla określenia
okre
wytrzymałości
ści dielektrycznej, dokonuje
się zamiany współpracującego
ącego
cego powietrza na dielektryk bardziej wytrzymały np. przez
zanurzenie izolatora stałego w oleju. W przypadkach, gdy to jest niemożliwe
niemo
lub niecelowe
niecelow
38
określa się wytrzymałość dielektryków stałych nie na kompletnych wyrobach lecz na
próbkach materiału stałego.
Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego
Mechanizm elektryczny nazywany jest również elektronowym lub mechanizmem
istotnego przebicia dielektryka stałego. W mechanizmie tym podstawową rolę odgrywają
wolne elektrony, pozostające w paśmie przewodnictwa ciała stałego, przyspieszane siłami
pola. Wzrost natężenia pola i energii elektronów prowadzi do wybijania nowych elektronów
z siatki strukturalnej dielektryka i do powstawania lawin. Związane jest z tym lokalne
ogrzanie dielektryka, stopienie i wytworzenie przewodzącego kanału poprzez przestrzeń
odgazowaną, która pozostaje w postaci trwałego uszkodzenia dielektryka.
Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego może być obserwowany
wówczas, gdy czas przyłożenia napięcia jest krótki. Zachodzi on w praktyce przy napięciach
udarowych.
W polach niejednorodnych przy jednokrotnym działaniu impulsu napięcia, mechanizm
elektryczny prowadzić może do wytworzenia kanału wyładowania jedynie na pewnej drodze
uszkadzając trwale część dielektryka w przestrzeni międzyelektrodowej. Ponowne
przyłożenie napięcia spowodować może wydłużenie się kanału, który łączy często elektrody
dopiero po pewnej liczbie udarów. Zjawisko to nosi nazwę kumulacji przebić częściowych
i jest łatwo obserwowane w dielektrykach przezroczystych.
Mechanizm cieplny przebicia dielektryka stałego
Mechanizm cieplny przebicia występuje przy napięciach działających na dielektryk
stały przez czas dłuższy np. kilka godzin. Stan taki zachodzi przy napięciach stałych
i przemiennych. Ze względu na istniejące w dielektryku straty dielektryczne dielektryk
nagrzewa się. Przy napięciach stałych straty wywołane są głównie przez przewodność
skrośną. Przy napięciach przemiennych są one większe, gdyż do strat przewodnictwa
dochodzą straty na polaryzację dielektryka proporcjonalne do jego przenikalności
dielektrycznej i częstotliwości napięcia. Dielektryk po przyłożeniu napięcia nagrzewa się
i wzrost lub ustalenie jego temperatury uzależnione są od warunków chłodzenia, od
przewodności cieplnej dielektryka oraz od wysokości i zmian napięcia. Przy nadmiernym
wzroście temperatury możliwe jest zniszczenie dielektryka przez stopienie, odparowanie,
spalenie lub zwęglenie w znacznej objętości lub w ograniczonym kanale, w którym
39
wydzielanie ciepła mogło być największe.
najwi
Ze względu na obecność
ść napięcia i natężenia
nat
pola
przegrzanie dielektryka ułatwia lub staje się
si bezpośrednią przyczynąą powstania elektrycznego
elektr
mechanizmu przebicia, lecz przy napięciu
napi
przebicia znacznie niższym,
ższym, niż
ni wynikałoby
z wytrzymałości określonej
ślonej przebiciem istotnym.. Problem przebicia cieplnego występuje
wyst
szczególnie drastycznie w układach izolacyjnych pracujących
pracuj cych przy napięciach przemiennych
pr
o wielkiej częstotliwości
Mechanizm jonizacyjno - starzeniowy przebicia dielektryka stałego
Jednocześnie
nie z elektrycznym i cieplnym mechanizmem przebicia w dielektrykach
stałych występują i inne formy wyładowania, charakteryzujące
charakteryzuj
się tym, żee przebicie zachodzi
po długim czasie przyłożenia
żenia napięcia.
napi cia. Temu procesowi przebicia towarzyszą
towarzysz wyładowania
niezupełne ( w skrócie `wnz` ), powstające
powstaj
wewnątrz
trz izolacji w szczelinach między
mi
warstwami, pęknięciach,
ciach, pustych miejscach lub przy zanieczyszczeniach.
zanieczyszczeniach. W tych miejscach
wad technologicznych
(defektach) występuje
wyst
zwiększone natężenie
ężenie pola powyżej
powy
wytrzymałości
ci elektrycznej materiału i następuje
nast puje nieodwracalne uszkodzenie dielektryka
w postaci rozgałęzionych
zionych kanałów. Kanały te rozwijają
rozwijaj się w funkcji czasu,
cz
dopóki nie
pokryją całego odstępu między
ędzy elektrodami.
Ten rodzaj wyładowania o długim czasie rozwoju nazywany jest wyładowaniem
drzewiastym.
Fotografie kanałów wnz w polietylenie niskociśnieniowym
niskoci
a - bush like tree, b - tree like tree
40
Powstawanie
anie wyładowań we wtrącinach zaczyna się po doprowadzeniu do układu
napięcia zwanego napięciem
ęciem jonizacji lub progiem jonizacji dielektryka stałego. Po
przekroczeniu tego napięcia
ęcia w dielektryku rosną
rosn straty i wzrasta energia pobierana ze źródła.
Wzrasta więc istotnie wartość
ść tg δ, wskaźnika strat dielektrycznych.
Zależność tg δ izolacji stałej z wtrącinami
wtr
gazowymi od napięcia U.
Starzeniem nazywamy procesy zachodzące
zachodz ce w dielektrykach, w wyniku których zmienia
on i traci własności
ci izolacyjne. Starzenie wynika
wynika nie tylko w wyniku oddziaływania pola
elektrycznego, lecz również jest wynikiem zmian chemicznych bądź
bą
fizycznych
zachodzących
cych np. skutkiem utleniania, depolimeryzacji, działania ciepła, promieniowania itp.
Na procesy te są częściej
ęściej narażone
naraż
materiały pochodzenia organicznego, przy czym starzenie
występuje
puje głównie wskutek działania cieplnego i wyładowań
wyładowa niezupełnych.
Dlatego przy doborze wymiarów izolacyjnych konstrukcji z izolacją
izolacj stałą należy
uwzględniać nie tylko wytrzymałość
wytrzymało krótkotrwałą, ale takżee i długotrwałą określoną
okre
stratami
dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natężenie
nat enie winno być wybrane dużo
mniejsze, niż natężenie
enie przy którym występują
wyst
wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas
życia izolacji przyjmuje sięę obecnie na nie mniejszy
mniejsz niż 20 lat.
41