Что такое электрическая прочность изоляции
Перейти к содержимому

Что такое электрическая прочность изоляции

  • автор:

Электрическая прочность изоляции. Примеры расчетов

Электрическая прочность изоляции. Примеры расчетов

При постепенном увеличении напряжения U между проводниками, разделенными диэлектриком (изоляцией), например пластинами конденсатора или проводящими жилами кабеля, увеличивается интенсивность (напряженность) электрического поля в диэлектрике. Напряженность электрического поля в диэлектрике увеличивается также при уменьшении расстояния между проводниками.

При определенной напряженности поля в диэлектрике возникает пробой, образуется искра или дуга и в цепи появляется электрический ток. Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой изоляции, называется электрической прочностью Eпр изоляции.

Электрическая прочность изоляции определяется как напряжение, приходящееся на 1 мм толщины изоляции, и измеряется в В/мм (кВ/мм) или кВ/см. Например, электрическая прочность воздуха между гладкими пластинами равна 32 кВ/см.

Напряженность электрического поля в диэлектрике для случая, когда проводники имеют форму пластин или лент, разделенных равномерным промежутком (например, в бумажном конденсаторе), рассчитывается по формуле

где U – напряжение между проводниками, В (кВ); d – толщина слоя диэлектрика, мм (см).

1. Какова напряженность электрического поля в воздушном зазоре толщиной 3 см между пластинами, если напряжение между ними U=100 кВ (рис. 1)?

Электрическая прочность изоляции. Примеры расчетов

Напряженность электрического поля равна: E=U/d=100000/3=33333 В/см.

Такая напряженность превышает электрическую прочность воздуха (32 кВ/см), и есть опасность возникновения пробоя.

Опасность пробоя при неизменном напряжении можно предотвратить увеличением зазора, например, до 5 см или применением другой более прочной изоляции вместо воздуха, например электрокартона (рис. 2).

Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε=2 и электрическую прочность 80000 В/см. В нашем случае напряженность электрического поля в изоляции равна 33333 В. Эту напряженность воздух не выдерживает, в то время как электрокартон в этом случае имеет запас по электрической прочности 80000/33333=2,4, так как электрическая прочность электрокартона в 80000/32000=2,5 раза больше, чем воздуха.

2. Какова напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора толщиной 3 мм, если конденсатор включен на напряжение U=6 кВ?

3. Диэлектрик толщиной 2 мм пробило при напряжении 30 кВ. Какова была его электрическая прочность?

E=U/d=30000/0,2=150000 В/см =150 кВ/см. Такой электрической прочностью обладает стекло.

4. Зазор между пластинами конденсатора заполнен слоями электрокартона и слоем слюды одинаковой толщины (рис. 3). Напряжение между пластинами конденсатора U=10000 В. Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε1=2, а слюда ε2=8. Как распределится напряжение U между слоями изоляции и какую напряженность будет иметь электрическое поле в отдельных слоях?

электрическая прочность электрокартона

Напряжения U1 и U2 на одинаковых по толщине слоях диэлектриков не будут равны. Напряжение конденсатора разделится на напряжения U1 и U2, которые будут обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

U1/U2 =ε2/ε1 =8/2=4/1=4;

Так как U=U1+U2, то имеем два уравнения с двумя неизвестными.

Первое уравнение подставим во второе: U=4∙U2+U2=5∙U2.

Отсюда 10000 В =5∙U2; U2=2000 В; U1=4∙U2=8000 В.

Хотя слои диэлектриков имеют одинаковую толщину, нагружены они неодинаково. Диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью менее нагружен (U2=2000 В), и наоборот (U1=8000 В).

Напряженность электрического поля E в слоях диэлектриков равна:

E1=U1/d1 =8000/0,2=40000 В/см;

E2=U2/d2 =2000/0,2=10000 В/см.

Неодинаковость диэлектрической проницаемости приводит к увеличению напряженности электрического поля. Если бы весь зазор был заполнен только одним диэлектриком, например слюдой или электрокартоном, напряженность электрического поля была бы меньше, так как она была бы распределена по всему зазору совершенно равномерно:

E=U/d=(U1+U2)/(d1+d2 )=10000/0,4=25000 В/см.

Поэтому необходимо избегать применения сложной изоляции с сильно различающимися диэлектрическими проницаемостями. По той же причине опасность возникновения пробоя увеличивается при образовании в изоляции воздушных пузырей.

5. Определить напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора из предыдущего примера, если толщина слоев диэлектриков неодинакова. Электрокартон имеет толщину d1=0,2 мм, а слюда d2=3,8 мм (рис. 4).

напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора

Напряженность электрического поля распределится обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям:

Так как E1=U1/d1 =U1/0,2, а E2=U2/d2 =U2/3,8, то E1/E2 =(U1/0,2)/(U2/3,8)=(U1∙3,8)/(0,2∙U2 )=19∙U1/U2.

Отсюда E1/E2 =4=19∙U1/U2, или U1/U2 =4/19.

Сумма напряжений U1 и U2 на слоях диэлектриков равна напряжению источника U: U=U1+U2; 10000=U1+U2.

Так как U1=4/19∙U2, то 10000=4/10∙U2+U2=23/19∙U2; U2=190000/23=8260 В; U1=U-U2=1740 В.

Напряженность электрического поля в слюде E2∙8260/3,8≈2174 В/см.

Слюда обладает электрической прочностью 80000 В/мм и выдержит такую напряженность.

Напряженность электрического поля в электрокартоне E1=1740/0,2=8700 В/мм.

Электрокартон не выдержит такой напряженности, так как его электрическая прочность равна всего 8000 В/мм.

6. К двум металлическим пластинам, находящимся друг от друга на расстоянии 2 см, подключено напряжение 60000 В. Определить напряженность электрического поля в воздушном зазоре, а также напряженность электрического поля в воздухе и стекле, если в зазор введена стеклянная пластина толщиной 1 см (рис. 5).

напряженность электрического поля в воздушном зазоре

Если между пластинами находится только воздух, напряженность электрического поля в нем равна: E=U/d=60000/2=30000 В/см.

Напряженность поля близка к электрической прочности воздуха. Если в зазор ввести стеклянную пластину толщиной 1 см (диэлектрическая проницаемость стекла ε2=7), то E1=U1/d1 =U1/1=U1; E2=U2/d2 =U2/1=U2; E1/E2 =ε2/ε1 =7/1=U1/U2 ;

U1=7∙U2; U1=60000-U2; 8∙U2=60000; U2=7500 В; E2=U2/d2 =7500 В/см.

Напряженность электрического поля в стекле E2=7,5 кВ/см, а его электрическая прочность 150 кВ/см.

В этом случае стекло имеет 20-кратный запас прочности.

Для воздушной прослойки имеем: U1=60000-7500=52500 В; E1=U1/d1 =52500 В/см.

Напряженность электрического поля в воздушной прослойке в этом случае больше, чем в первом, без стекла. После внесения стекла вся комбинация имеет меньшую прочность, чем один воздух.

Опасность пробоя возникает и тогда, когда толщина стеклянной пластины равна зазору между проводящими пластинами, т. е. 2 см, так как в зазоре неизбежно останутся тонкие промежутки воздуха, которые будут пробиты.

Электрическую прочность промежутка между проводниками, находящимися под высоким напряжением, следует усиливать материалами, имеющими малую диэлектрическую проницаемость и большую электрическую прочность, например, электрокартоном с ε=2. Следует избегать комбинаций из материалов с большой диэлектрической проницаемостью (стекло, фарфор) и воздуха, который следует заменять маслом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Согласно Википедии, диэлектрической прочности определяется следующим образом:

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью. Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток.

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:
Максимальная электрическая нагрузка на диэлектрический материал, которую может выдержать без пробоя

Касаемо продуктов LPS Laboratories, особенно очистителей для контактов, мы проверяем сколько вольт требуется, чтобы продукт начал проводить электричество. Визуализировать тест на диэлектрическую прочность таким образом: в емкость наливаем очиститель для контактов, один контакт помещаем в жидкость, второй контакт в жидкость на противоположной стороне емкости, между двумя контактами нет прямого контакта, кроме как через жидкость. Постепенно повышаем напряжение до тех пор, пока напряжение не повысит диэлектрическое сопротивление жидкости, цепь замкнется, и лампочка загорится. Количество вольт, при котором цепь замыкается (электричество проходит между двумя контактами погруженными в жидкость) — это и есть диэлектрическая прочность жидкости. (См. диаграмму ниже).

Почему это важно? Если Вы электрик или техник в энергетике, зная напряжение на очищаемом оборудовании, и зная диэлектрическую прочность очистителя можно быть уверенным в безопасности операции. Например: бытовая розетка находится под напряжением 220 вольт. Для ее очистки требуется очиститель с диэлектрической прочностью более 220В. В линейке LPS есть много очистителей для контактов с диэлектрической прочностью от 9000В до более чем 45 000В. А Вы знаете, какой из очистителей контактов имеет диэлектрическую прочность 47,5 кВ (45 000В)?

Методы и приборы для проверки изоляции кабелей и электрооборудования

Надежность работы электрооборудования и электрических сетей во многом зависит от качества изоляции. Чтобы оценить состояние изоляции проводят измерение ряда параметров, в числе которых электрическое сопротивление, электрическая прочность, коэффициент абсорбции. В соответствие с отраслевыми нормами подобные измерения выполняют квалифицированные специалисты электролабораторий, обладающие соответствующими лицензиями и сертификатами. Для измерений используется оборудование из перечня рекомендованных средств измерений Минэнерго и Ростехнадзора.

Проверка изоляции кабелей и электрооборудования

Качество изоляции контролируется на заводе-изготовителе и в процессе технического обслуживания. Своевременное обслуживание в требуемом объеме и сроках позволяет снизить риск аварийных ситуаций и экономических потерь.

Методы контроля качества изоляции проводов и электрооборудования

Пример протокола проверки сопротивления изоляции кабелей, проводов

Пример протокола проверки сопротивления изоляции кабелей, проводов

Рассмотрим основные методы контроля качества изоляции проводов и электрооборудования. Параметры, характеризующие качество изоляции:

  • коэффициент абсорбции (R60/R15 – отношение сопротивлений, рассчитанных через 60 и 15 секунд после подачи напряжения);
  • тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ=P/Q – отношение активной и реактивной мощности);
  • электрическая прочность при подаче повышенного напряжения 3-35 кВ;
  • температура поверхностных или внутренних слоев изоляции.

Коэффициент абсорбции

При измерениях сопротивления или коэффициента абсорбции о состоянии изоляционного материала судят по разнице показателей сопротивления однотипных элементов или изменению параметров за определенный промежуток времени. Чем коэффициент абсорбции выше, тем лучше.

Контрольные измерения на кабельном вводе

Контрольные измерения на кабельном вводе

Тангенс угла потерь

Данные измерения тангенса угла диэлектрических потерь используются при обобщенном анализе состояния гигроскопичной изоляции (картон, бакелит). Измерение проводится при помощи высоковольтных мостов с рабочим напряжением около 10 кВ. Результаты таких измерений зависят от температуры материалов и характеризуют, в основном, уровень увлажненности, загрязненность или наличие воздушных прослоек.

Электрическая прочность изоляции

Испытание изоляции на пробой позволяют определить её способность выдерживать перенапряжения. Электрическая прочность проверяется при подаче повышенного испытательного напряжения:

  • постоянного выпрямленного;
  • промышленной частоты 50 Гц в течение 1 мин;
  • импульсного (длительность 1,5-50 мкс с интервалом не менее 1 мин).

Параметры переменного напряжения от 3 кВ для испытания нового электрооборудования на заводе-изготовителе определяются ГОСТом 1516.2-97, при техническом обслуживании в процессе эксплуатации используются напряжения на 10…15% ниже заводских нормативов.

Для проверки электрической прочности изоляции используют два метода: электрический (подача испытательного напряжения) или акустический (мониторинг звуковых сигналов пробоя изоляции).

Обследование температуры поверхности изоляции проводится при помощи тепловизоров. Самый точный результат метод дает при максимальной рабочей нагрузке электрооборудования.

Тепловизионное обследование кабельных линий

Тепловизионное обследование кабельных линий

Приборы для контроля качества изоляции

Выбор приборов для контроля качества изоляции зависит от типа обследуемого электрооборудования, кабелей, метода и условий проведения испытаний. При выборе измерителей следует обратить внимание на следующие факторы:

  • допустимый измерительный диапазон контрольно-измерительного прибора, категория электробезопасности (CAT I…IV);
  • параметры исследуемой электросистемы (постоянное/переменное напряжение на входе/выходе, ток нагрузки, частота, мощность), возможность отключения электроснабжения оборудования при проведении исследований;
  • свойства материала изоляции (тепловые, диэлектрические);
  • параметры окружающей среды (уровень влажности, температура);
  • возможность доступа к тестируемому оборудованию (контакт, дистанционно).

Универсальные измерители электрических параметров – мультиметры, мегаомметры. Для бытовых, офисных и промышленных низковольтных электрических установок и проводов достаточно измерителей CAT I, II, для высоковольтных линий электропередач или распределительных ячеек – не ниже CAT III (1000 В).

Для проверки изоляции кабелей и электрооборудования постоянным/переменным повышенным напряжением применяют установки T99/1, T26/1, MMG5/10, HPG 50/70 с приборами для преобразования дефектов (прожига). Для дистанционного обнаружения дефектов подземных кабельных жил и оценки расстояния до неисправности пользуются популярностью генераторы ударных импульсов RSP 3, PWG 2000 и рефлектометры СТЭЛЛ РЕЙС-205, СТЭЛЛ РЕЙС-305, СТЭЛЛ РЕЙС-405.

Рефлектометр СТЭЛЛ-РЭЙС 405 для проверки кабелей

Рефлектометр СТЭЛЛ-РЭЙС 405 для проверки кабелей

Бесспорные преимущества тепловизоров линнейки Testo 868/871/872/882/885 – это компактность, мобильность, простота в использовании. Тепловизоры Fluke TiX500/580 обладают точностью 0,025 °С и расширенным диапазон измерений до +400 °С.

Выводы

контроль сопротивления изоляции

Контроль сопротивления изоляции

Современные приборы позволяют оценивать качество изоляции разнообразного оборудования и кабелей с высокой точностью и в различных условиях. Затраты на проведение испытаний специализированными сервисными организациями или ведомственными службами компенсируются сокращения расходов на простой и ремонт электрооборудования, а также на компенсации потребителям в случае аварийных перебоев в снабжении электроэнергией.

Если вам нужна профессиональная консультация по проверке изоляции кабелей и электрооборудовани, просто отправьте нам сообщение!

«БЕЗОПАСНОСТЬ АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СЕТЕВОЙ И СХОДНЫХ С НЕЙ УСТРОЙСТВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ БЫТОВОГО И АНАЛОГИЧНОГО ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ. ГОСТ 12.2.006-87» (утв. Постановлением Госстандарта СССР от 24.12.87 N 5033) (ред. от 14.05.96)

10.3. Сопротивление изоляции и электрическая прочность

Изоляция должна удовлетворять соответствующим требованиям.

Испытания: соответствие проверяют с помощью испытаний, которые проводят, если нет дополнительных указаний, сразу же после окончания испытаний на влагостойкость по п. 10.2.

Изолирующие материалы, перечисленные в табл. 4, должны быть испытаны:

на сопротивление изоляции — напряжением 500 В постоянного тока;

на электрическую прочность — по следующей методике.

Изоляцию, находящуюся под напряжением постоянного тока (плюс пульсации), испытывают напряжением постоянного тока.

Изоляцию, находящуюся под напряжением переменного тока, испытывают напряжением переменного тока. В тех случаях, когда могут иметь место эффекты короны, ионизации, разряда, следует проводить испытания напряжением постоянного тока. Испытательное напряжение подают в течение 60 с.

Измерение сопротивления изоляции и испытание на электрическую прочность проводят в камере влажности или помещении, в котором аппарат доводят до заданной температуры, после установки на место тех деталей, которые ранее могли быть сняты.

Считают, что аппарат удовлетворяет требованиям, если сопротивление изоляции, измеренное спустя 60 с, не менее значений, указанных в табл. 4, а во время проведения испытания на электрическую прочность не имел место коронный разряд или пробой.

При испытании футляров из изолирующих материалов к доступным частям плотно прижимают фольгу.

Резисторы, конденсаторы и RC-блоки, удовлетворяющие требованиям пп. 14.1 и 14.2.2 соответственно, включенные параллельно испытуемой изоляции, следует отсоединить. Индуктивности и емкости, препятствующие проведению испытания, также следует отсоединить.

Изоляция Сопротивление изоляции, МОм Испытательное напряжение переменного (пиковое значение) или постоянного тока, В
1. Между полюсами схемы, непосредственно присоединенной к сети питания 2 2U+1410
2. Между частями, разделенными основной или дополнительной изоляцией (каждая отдельно) 2 Кривая А (черт. 15)
3. Между частями, разделенными усиленной изоляцией 4 Кривая Б (черт. 15)

U — максимальное пиковое значение напряжения, которое приложено к изоляции при нормальных условиях эксплуатации и при наличии неисправности, если аппарат подключен к источнику питания с номинальным значением напряжения.

Напряжение, под которым находится основная изоляция, определяют при короткозамкнутой дополнительной изоляции и наоборот.

При напряжении питания от 220 до 250 В (эффективное значение) испытательные напряжения составляют:

2120 В (пиковое значение) — для основной и дополнительной изоляции;

4240 В (пиковое значение) — для усиленной изоляции.

Кривые А и В (черт. 15) определяются следующими точками:

Рабочее напряжение (пиковое значение) Испытательное напряжение (пиковое значение)
кривая А кривая В
34 В 707 В 1410 В
354 В 4240 В
1410 В 3980 В
10 кВ 15 кВ 15 кВ
50 кВ 75 кВ 75 кВ

Между проводниками на печатной плате, удовлетворяющей требованиям п. 4.3.1, испытательное напряжение переменного тока составляет 3U при минимальном значении 707 В (пиковое значение).

Примечание. Во время проведения испытания на электрическую прочность доступные металлические части могут быть соединены между собой.

Установка для проведения испытания на электрическую прочность показана на черт. 14.

Не проводят испытание изоляции, короткое замыкание которой не вызывает опасности поражения электрическим током (например, если один конец вторичной обмотки разделяющего трансформатора соединен с доступной металлической частью, то отпадает необходимость каких-либо специальных требований к изоляции другого конца обмотки от этой доступной металлической части).

Гнезда, предназначенные для подачи сетевого питания на другой аппарат, и соединители, промаркированные в соответствии с п. 5.4.6, не подвергают испытаниям, перечисленным в пп. 2 и 3 табл. 4.

Если обмотки трансформатора, по которым протекает ток с частотой сети, не соединены с контактами устройства, то проведение испытания на электрическую прочность невозможно, т. к. один конец обмотки соединен с сердечником, с соседней обмоткой или аналогичным элементом. Проверку изоляции осуществляют путем испытания обмотки по методике, изложенной в п. 14.3.

Испытательные напряжения переменного тока должны быть получены с помощью такого трансформатора, который обеспечивает при коротком замыкании выходных клемм после установки требуемого значения выходного испытательного напряжения выходной ток не менее 200 мА.

Реле перегрузки не должно срабатывать, если выходной ток не превышает 100 мА.

Эффективное значение испытательного напряжения необходимо измерять с точностью не менее ±3 %.

Сначала прикладывают напряжение, значение которого составляет менее половины значения испытательного напряжения, а затем его быстро повышают до требуемого значения.

(в ред. Изменений N 1, N 2)

Электрическая прочность изоляции

Что означает термин «Электрическая прочность изоляции»?

Электрическая прочность изоляции — это испытательное напряжение, прикладываемое в специальных условиях, которое должна выдерживать изоляция устройства.

Источник: СТ МЭК 50(151)-78

Оставьте комментарий Отменить ответ

Карта сайта

Все наши публикации вы найдете на карте сайта LinijaOpory.ru

Миссия сайта LinijaOpory.ru

Сайт LinijaOpory.ru уже много лет помогает своим посетителям, предоставляя информацию об опорах воздушных линий электропередачи и сопутствующих материалах.

В настоящее время мы восстанавливаем нашу базу данных, которая раньше содержала несколько сотен типов опор. Мы будем благодарны, если вы поддержите наш сайт и расскажете о нем своим коллегам.

Распространение чертежей

Все публикуемые редактируемые чертежи защищены законом об авторском праве. Все права подтверждены и закреплены законодательно.

Если вы планируете распространять чертежи, скачанные с сайта LinijaOpory.ru, мы будем вынуждены принять меры в рамках действующего законодательства. Мы публикуем только уникальные чертежи и схемы и можем подтвердить это. Просим вас относиться с уважением к нашему труду.

ПРОБОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Электрической прочностью изоляции кабеля или провода назы­вают напряжение, при достижении которого происходит пробой изо­ляции. По характеру пробоя изоляции различают электрический и тепловой.

Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимается про­бой в наиболее ослабленном месте изоляции, происходящий в короткие промежутки времени и обычно связанный с местным разруше­нием изоляции кабелей и сопровождающийся иногда ветвистыми обугленными побегами. Электрический — ионизационный пробой про­исходит в воздушных включениях изоляции при достаточно высо­ких напряжениях в результате возникновения таких разрядов, переходящих в электрические скользя­щие разряды, заканчивающиеся про­боем изоляции.

Тепловой пробой изоляции кабе­лей имеет место в тех случаях, когда нагрев изоляции больше отводимого тепла (например, в кабелях высоко­го напряжения с большой толщиной изоляции). Этот вид пробоя развивается постепенно и происходит

обычно в тех местах, где повышение температуры из-за роста ди­электрических потерь происходит особенно интенсивно. Развитию теплового пробоя может способствовать повышенная температура окружающей среды. Место теплового пробоя изоляции представ­ляет радиальное отверстие с опаленной или оплавленной поверхно­стью без наличия в зоне пробоя ветвистых побегов.

Обычно пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вы­званный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя. Повышение напряженности поля в газовом включении снижает электрическую прочность изоляции, зависящую от его природы, толщины слоя и давления. Начальная напряженность ионизации маслонаполненного и газонаполненного кабелей при длительном приложении перемен­ного тока (50 гц) возрастает с увеличением давления (рис. 2-15), но электрическая прочность их снижается с увеличением длитель­ности приложения напряжения. Электрическая прочность пропитан­ной кабельной бумаги при кратковременном испытании на пробой переменным током уменьшается с увеличением толщины бумаги (рис. 2-16).

Пробивное напряжение кабеля при известной электрической прочности изоляции равно:

Пробивное напряжение кабеля при промышленной частоте мо­жет быть определено по эмпирической формуле:

где UH — номинальное линейное напряжение системы; k1=l, 15 — коэффициент, учитывающий возможность повышения рабочего на­пряжения; k2=l, 25/1,50 — коэффициент, учитывающий неоднород­ность изоляции (совпадение, зазоров лент, наличие вмятин, морщин и других дефектов технологии); k3 = 2,25/2,50 — коэффициент, учи­тывающий уровень внутренних перенапряжений в кабельных сетях; k4 = 1,10/1,20 — коэффициент, учитывающий уменьшение пробивного напряжения при снижении давления масла от расчетной величины до минимально допустимого значения. Запас электрической прочности

При расчете электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей и проводов принимают 4—10-кратный запас допустимой на­пряженности электрического поля по сравнению с пробивной напря­женностью. Такой запас электрической прочности необходим из-за возможности ухудшения качества изоляции в процессе эксплуата­ции, а также за счет неоднородности изоляции по качеству, наличия острых углов и выступов токопроводящих жил кабеля и др. Элек­трическая прочность кабеля уменьшается с увеличением длины ка­беля, так как число слабых мест пропорционально поверхности токопроводящей жилы.

Электрическая прочность изоляции зависит от рода приложен­ного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения. Наибольшую электрическую прочность изоляция имеет при постоянном токе, а наименьшую — при переменном токе. Под влиянием электрического и теплового полей происходит ускорение процесса старения изоляции с медленным изменением ее физико-химических свойств, приводящих к местным ослаблениям электри­ческой прочности.

‘Кривую зависимости электрической прочности от времени при­ложения напряжения называют кривой жизни кабеля. Эта зависи­мость выражается уравнением

где т — коэффициент, зависящий от типа кабелей (для силовых ка­белей с вязкой пропиткой m = 7, для высоковольтных одножильных кабелей m≈ 6, для полиэтилена m≈ 4; τ —время до пробоя, мин; Eдл — прочность при бесконечно длительном приложении напряже­ния, кв/мм; Eпер — переменная часть электрической прочности,

кв/мм. Если откладывать по оси ординат Eпр, а по оси абсцисс ве­личину

(при правильно подобранном значении т), зависи­мость электрической прочности кабеля от времени имеет вид прямой линии. Пересечение ее с осью ординат дает предельное значение электрической прочности при бесконечно длительном приложении напряжения, равное для маслонаполненного кабеля низкого давле­ния 40 кв/мм, для газонаполненного кабеля высокого давления 20 кв/мм и для кабеля с вязкой пропиткой 12 кв/мм.

На рис. 2–17 приведена экспериментальная зависимость напря­женности поля при пробое кабеля с полиэтиленовой изоляцией (Δ = 10 мм), подвергавшегося циклическому нагреву. При частоте 80 Мгц электрическая прочность полиэтиленовой изоляции снижает­ся до 3—4 кв/мм. На рис. 2–18 приведена зависимость электриче­ской прочности кабеля с изоляцией из поливинилхлоридного пла­стиката от времени. Кратковременная электрическая прочность по­лиэтиленовой и поливинилхлоридной изоляции снижается с увели­чением радиуса провода:

Зависимость пробивного напряжения на постоянном токе при ступенчатом повышении напряжения (по 2 (кв/мм)/ч) от толщины полиэтиленовой изоляции и радиуса токопроводящих жил приве­дена на рис. 2–19. Средняя напряженность поля при пробое состав­ляет 45 кв/мм независимо от толщины изоляции, радиуса токопроводяшей жилы и полярности приложенного напряжения. Импульсная прочность изоляции кабелей на напряжение 100 кв и выше яв­ляется основной характеристикой при выборе толщины изоляции. Под импульсной прочностью понимают 10 положительных и 10 от­рицательных импульсов нормальной волны (1/50 мксек), не вызвав­ших пробоя изоляции.

Импульсное перенапряжение (Uмакс), возникающее в кабеле, зависит от емкости кабельной линии (С, мкф/км), ее длины (l, м) и величины перенапряжения в воздушной линии (U, кв):

Зависимость Uмакс /U1 от l/lо (где lо = 38 О м — строительная длина кабеля) приведена на рис. 2–20.

Величина импульсного напряжения кабеля по нормам МЭК принята не ниже

где U0 — напряжение между жилой и экраном кабеля, кв.

Импульсная прочность пропитанной бумажной изоляции высоко­вольтных кабелей возрастает с уменьшением толщины бумажных лент, применяемых для изоляции, увеличивается с повышением плот­ности бумаги и вязкости пропитывающего состава, но не зависит от давления. Значения напряженности поля при пробое импульсным напряжением для кабелей с вязкой пропиткой и маслонаполненного в зависимости от толщины бумаги приведены на рис. 2–21.

На рис. 2–22 приведены кривые средней и максимальной напря­женности электрического поля при пробое в зависимости от толщи­ны изоляции и радиуса токопроводящих жил при испытании на пе­ременном и постоянном токе и импульсным напряжением.

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Моя заявка.
всего позиций: 0.

Proelectro2.ru (2005-2016), ООО «Виртуальные города» (2009-2016).
Администрация elrekl@yandex.ru, тел./факс: +7 (8552) 53-40-76

Что такое электрическая прочность изоляции

Электрическая прочность — это минимальное значение напряжённости электрического поля, при которой наступает пробой изоляции. Электрическая прочность изоляции является сложной функцией физиче­ских свойств материала, размеров образца, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.

Различают два основных вида пробоя однородных диэлектри­ков: электрический и тепловой. Кроме того, существует еще иониза­ционный пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале.

Существенное влияние на механизм пробоя в слоистой изоля­ции оказывает развитие скользящих разрядов вдоль лент. Электри­ческая прочность применяемых на практике диэлектриков суще­ственно зависит от неоднородности поля, а также от характера и интенсивности таких процессов в них, как ионизация газовых вклю­чений и химические изменения материала изоляции. Наличие сла­бых мест приводит к тому, что отдельные образцы одного и того же материала пробиваются при различном напряжении, т. е. к по­явлению разброса значений электрической прочности, который зависит от степени однородности диэлектрика.

Обычно пробивное напряжение оценивается средним значени­ем многочисленных результатов испытаний отдельных образцов. Для кабельной изоляции вследствие большой протяженности ка­беля необходимо определить главным образом минимальное зна­чение пробивного напряжения, возможного при данной техноло­гии производства.

В связи с целым рядом факторов, определяющих пробивное на­пряжение изоляции, выбор рабочей напряженности электрического поля является сложной и ответственной частью расчета кабеля. Методы оценки пробивного напряжения и экспериментальные значения электрической прочности кабельной изоляции, а также методика выбора и расчета рабочей напряженности изоляции ка­белей будут рассмотрены далее. При этом необходимо рассмотреть влияние тонких пленок газов и масел на пробой кабельной изоля­ции, разряды в воздушных включениях, зависимость электричес­кой прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия.

Напряженность поля в газовых (а при переменном напряжении — и в масляных) включениях будет выше, чем в однородной изоляции. Это приводит к уменьшению электрической прочности изоляции, так как эти включения в электри­ческом отношении представляют собой ее наиболее слабые места. Как известно, электрическая прочность газа зависит от его при­роды и (согласно закону Пашена) является функцией произведе­ния плотности (давления) и толщины слоя газа: Unp = f ( pA ).

Под электрической прочностью газовой пленки понимается на­пряженность электрического поля Ен, при которой начинаются разряды в газе.

Зависимость Unp = f ( pA ) имеет вид кривой с резко выражен­ным минимумом. Минимальное значение Unp для воздуха соответ­ствует рА = 750 Па × мм и равно 327 В. Для меньших значений рА пробивное напряжение возрастает, потому что плотность воздуха (или толщина слоя А) значительно уменьшается и ионизирующее столкновение в газовом промежутке А становится все менее веро­ятным. Для рА > 750 Па × мм пробивное напряжение возрастает при­мерно по линейному закону, который нарушается лишь при абсо­лютном давлении более 2 МПа.

Закон Пашена в полном виде установлен для газовых промежут­ков между металлическими электродами. В изоляции кабелей газовые включения располагаются или внут­ри изоляционного слоя, или между изоляционным слоем и металличес­кой поверхностью жилы либо обо­лочки. В этом случае возможны от­клонения от закона Пашена, особен­но в области малых значений pD , так как возможно развитие разрядов по поверхности газовых включений.

Для воздушных прослоек, распо­ложенных между стеклянными пла­стинами, С. М.Брагиным была по­лучена зависимость Unp от рА при переменном напряжении, которую можно рекомендовать для прибли­женных расчетов в кабельной изо­ляции (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения пленки газа от про­изведения рΔ

Электрическая прочность газовой пленки зависит также от при­роды самого газа. Для повышения электрической прочности газо­наполненных кабелей применяют элегаз ( SF 6 ) и фреон ( CC 12 F 2 ). Электрическая прочность этих газов примерно в 2,2 — 2,5 раза выше электрической прочности воздуха.

При постоянном напряжении и высокой начальной напряжен­ности поля Ен в газовом включении возникает ионизация, в ре­зультате которой на некоторое время (примерно на 10 -7 с) газ становится проводником. При этом на поверхности включения об­разуется свободный поверхностный заряд. Плотность заряда распределяется таким образом, что на­пряженность поля этого заряда час­тично компенсирует внешнее при­ложенное поле и результирующее поле в газовом включении будет зна­чительно уменьшается. Это приво­дит (при некоторой напряженности поля погасания Еп) к прекращению ионизации, и воздушное включение снова становится непроводником (рис. 2). Период существования ионизации на рисунке обозначен ∆ t 1 . В дальнейшем свободные заряды стекают через диэлектрик, и напря­женность поля во включении нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени релак­сации . Если бы не происходило ионизации, то напряжен­ность поля достигла бы некоторого значения Ев, но при Е = Ен ионизация возникает снова и цикл повторяется. Время цикла определяется в основном перио­дом между погасанием и зажиганием ∆ t 2 , который зависит от по­стоянной времени релаксации τ. Значение τ для высококачествен­ных диэлектриков находится обычно в пределах от нескольких се­кунд до десятков секунд (в полиэтилене — нескольких часов).

Рис. 2. Напряженность элект­рического поля при разрядах в воздушных включениях

При переменном напряжении после ионизации в газовом вклю­чении также возникают поверхностные заряды, поле которых в один полупериод направлено против внешнего поля. Но в следу­ющий полупериод внешнее поле изменяет направление, и поле зарядов уже не ослабляет его, а усиливает, что приводит к новой вспышке ионизации. В зависимости от внешнего напряжения частота этих вспышек может быть в два или более раз выше частоты напря­жения, т. е. возможно возникновение интенсивной ионизации.

Таким образом, влияние ионизации на процесс старения изо­ляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном напряжении.

Наличие интенсивной ионизации при переменном напряже­нии является одним из основных факторов, ограничивающих ра­бочую напряженность поля в изоляции.

Отказ (выход из строя) кабеля происходит вследствие накопле­ния признаков старения в процессе эксплуатации или ускоренных испытаний. Многочисленные эксперименты показали, что время наработки (до пробоя изоляции) для заданных температуры Т, напряженности электрического поля Е и степени старения может быть представлено функцией

где А и п — постоянные коэффициенты для данной изоляции; W энергия активации процесса старения, Дж/моль; R = 8,31 Дж/(моль•К).

Зависимость tp от Е представ­лена на рис. 3. На участке 1 коэффициент п велик вследствие малого времени воздействия на­пряжения (импульсов), а на уча­стке 2 при меньшей напряжен­ности поля значение п суще­ственно уменьшается. На этом участке возникают частичные разряды. На участке 3, где интенсивность частичных разрядов слабая, коэффи­циент п снова возрастает. По дан­ным многочисленных публика­ций, электрического старения на участке 3 почти не происходит, если интенсивность частичных разрядов в изоляции не превышает некоторого безопасного уровня.

Рис. 3. Логарифмическая зависи­мость t р от Е:

1. 3— участки характеристики

В кабелях с изоляцией, пропитанной вязким электроизоляционным составом, возможно образование газовых включений, в которых возникают частичные разряды. Исследования при циклическом режиме нагревания и охлаждения были проведены для кабелей на напряжение 35 кВ марок ААШв 1×120 и АСШв 1×150 l изоляцией, пропитанной составом МП-2, и марки ЦАСШв с пропиткой нестекающим составом МП-5. Образцы кабелей длиной 30 м с герметизированными концевыми заделками подвергали цикли­ческому нагреванию и охлаждению до температуры окружающей среды. Внутри жилы и под оболочкой были смонтированы медные трубки, соединенные с манометрами. Установлено, что в период охлаждения давление в кабеле становится ниже атмосфер­ного, что приводит к образованию газовых включений с пони­женным давлением. В соответствии с законом Пашена это способ­ствует возникновению частичных разрядов.

Измерения зависимости tgδ от напряжения показали, что в пе­риод нагревания приращение его с повышением напряжения от­сутствует, а это свидетельствует об отсутствии частичных разрядов. В период охлаждения происходит увеличение tgδ, что характерно для напряжения нормальной эксплуатации кабелей или меньшего. Это особенно важно при перенапряжениях, возникающих в кабе­лях в режимах с одноместным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (при линейном напряжении вместо фаз­ного между жилой и оболочкой).

В период нагревания изоляция подвергается медленному старе­нию по механизму термической деструкции. В период охлаждения происходит ее старение под действием ионизации в газовых вклю­чениях, а термическое старение замедляется в связи с понижени­ем температуры. Для выражения такого комплексного старения предложена эмпирическая зависимость, подтвержденная экспери­ментально:

где Unp — пробивное напряжение.

На рис. 4 приведены зависимости пробивного напряжения образцов от времени старения при различных температурах, соот­ветствующие формуле (2). Из рис. 4 можно получить зависимость

.

Рис. 4. Логарифмическая зависимость пробивного напряжения изоля­ции от времени старения при различной температуре

Если цикл испытаний составляет 8 ч, то для подтверждения 30 лет срока службы кабеля на 10 кВ при длительно допустимой температуре нагревания жилы 70 °С необходимо, чтобы он выдер­жал без пробоя испытания в течение 400 циклов при напряжении 17,3 кВ и максимальной температуре в цикле 90 °С. Этот норматив применяется при испытаниях кабелей, если произошли измене­ния в составе изоляции.

В маслонаполненных кабелях повышенное давление в пропиты­вающем бумажную изоляцию масле предотвращает образование газовых включений и возникновение в них частичных разрядов. При термическом старении изоляции происходит возрастание tgδ и постепенное повышение температуры изоляции, которое при­водит в конечном счете к тепловому пробою.

В процессе старения пропитанной бумажной изоляции проис­ходит выделение газообразных продуктов термической деструкции: водорода, метана, СО2, СО и др. Содержание газов в пропитываю­щем составе определяют по пробам масла, взятым из кабельной линии с применением метода газовой хроматографии. Если содер­жание газов превысит предел их растворимости в пропитывающем составе при нижнем пределе давления в кабельной линии, могут образовываться газовые включения и возникать частичные разряды, которые приведут к ускоренному старению и пробою изоляции.

При расчете полиэтиленовой изоляции кабелей высокого на­пряжения используют средние значения допустимой напряженно­сти электрического поля в изоляции, а также проводят расчет по электрической прочности при воздействии импульсных перена­пряжений (аналогично маслонаполненным кабелям). Толщину изо­ляции определяют по формуле

где U расчетное напряжение; Ер расчетное значение средней напряженности поля.

В качестве изоляции применяют полиэтилен низкой плотно­сти, сшитый с применением перекиси дикумила. Процесс сшива­ния и охлаждения изоляции проводят при повышенном давлении (1 . 2 МПа), что предотвращает образование газовых включений и частичных разрядов в изоляции.

В формуле (1) п > 12 при отсутствии влаги (имеется металли­ческая оболочка) и п 10 при возможности воздействия влаги в процессе эксплуатации.

Многочисленные экспериментальные данные по старению по­лиэтиленовой изоляции показали, что в ней образуются дефекты, получившие название триинги. Различают электрические и водные триинги. После эксплуатации в течение нескольких лет кабелей на напряжения 6. 10 кВ при контакте с влагой триинги увеличива­ются по длине и, достигая нескольких десятых долей миллиметра, приводят к пробою изоляции.

Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 432 с.

Что такое электрическая прочность изоляции

Диэлектрик – это вещество, не проводящее электрический ток (или очень плохо проводящее). Существует такое понятие как «пробой изоляции», простыми словами, когда диэлектрик начинает проводить электричество (то есть становится проводником) происходит пробой. А происходит пробой в случае превышения определенного значения напряженности электрического поля вещества. Вот как раз значение напряженности электрического поля, при котором это происходит и есть величина электрической прочности, для каждого вещества существует определенный порог. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик что такое электрическая прочность изоляции и почему она может уменьшаться.

Физический смысл

Форума напряженности пробоя

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.

Устройство конденсатора

Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

График изменения напряжения

Или определяется по формуле:

Формула для определения среднего напряжения за определенный период времени

Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Зависимость напряженности пробоя при различной температуре

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

Кабель маслонаполненный МНСК

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Сравнительные характеристики маслонаполненных кабелей и с изоляцией из сшитого полиэтилена

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Материалы по теме:

  • Защита кабеля от механических повреждений
  • Измерение сопротивления изоляции кабеля
  • Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях

Опубликовано 26.09.2019 Обновлено 17.06.2021 Пользователем Александр (администратор)

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

  • Толщины изоляции;
  • Диэлектрической проницаемости;
  • Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
  • Тип диэлектрика;
  • Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

  • Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
  • Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
  • Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

  • Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
  • Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
  • Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
  • Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
  • Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Тангенс угла диэлектрических потерь

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Литература

  1. Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 432 с.
  2. Физика диэлектриков. Г. А. Воробьев, Ю. П. Похолков, Ю. Д. Королев. Учебники Томского политехнического университета. 2003 г.
  3. Техника высоких напряжений (изоляция и перенапряжения). А.С. Красько, Е.Г. Пономаренко. Курс лекций. Часть 1. БНТУ. 2012 г.

Электрическая прочность изоляции трансформатора

Электрическая прочность — одна из важнейших характеристик трансформатора, определяющая его надежность и пригодность в эксплуатации. Электрическая прочность обеспечивается соответствующим устройством изоляции токопроводящих частей от заземленных элементов конструкции трансформатора.

Токопроводящими частями являются проводники обмоток и все электрически связанные с ними металлические части (детали переключающих устройств, вводы трансформатора, отводы обмоток). Заземленными элементами конструкции являются магнитопровод с его деталями и бак, в котором размещается активная часть трансформатора.

Трансформаторы выполняют с обмотками следующих стандартных классов напряжения: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Для каждого класса ГОСТ 1516.1—76 и ГОСТ 20690—75 (для 750 кВ) установили наибольшие рабочие напряжения, т. е. наибольшие напряжения частоты 50 Гц, длительное воздействие которых допустимо по условиям электрической прочности изоляции. Например, для класса 3 кВ — 3,6 кВ, для класса 10 кВ — 12 кВ, для 35 кВ — 40,5 кВ и т. д. Если для трансформатора нет дополнительных ограничений, определяемых насыщением активной стали, он должен нормально работать при указанных для данного класса наибольших напряжениях.

Напряжения, воздействующие на изоляцию. Перенапряжения

В эксплуатации трансформатор подвергается длительному воздействию номинального рабочего напряжения, на которое он рассчитан. Однако под влиянием различных факторов напряжение может значительно превысить номинальное значение, что в свою очередь может привести к повреждению изоляции трансформатора. Напряжения, значения которых превосходят наибольшее рабочее напряжение и имеют, поэтому опасную для изоляции величину, называют перенапряжениями. Различают внутренние и внешние перенапряжения.

Внутренние перенапряжения возникают при оперативных переключениях, внезапных (аварийных) отключениях отдельных элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, двигателей), дуговых замыканиях на землю, несимметричном режиме работы и т. д. Величину внутренних перенапряжений принято характеризовать кратностью по отношению к номинальному фазному напряжению. Она не превосходит 2,5—4 Uфаз, а ее длительность измеряется от сотых долей секунды до нескольких секунд и более.

Внешние перенапряжения в электрических установках возникают в результате электрических разрядов (молний) с грозовых облаков. При прямом ударе молнии, например, в опору линии электропередачи по ней протекает ток главного разряда, создающий напряжение, равное силе тока, умноженной на сопротивление, которое он встречает на своем пути.

Перенапряжение может появиться и при разрядах молнии в землю вблизи линии электропередачи или трансформатора. Такие перенапряжения называют наведенными или индуктированными. Величина индуктированных перенапряжений может достигать 500— 600 кВ и зависит от удаленности разряда от линии электропередачи, от величины тока молнии, высоты подвески проводов и т. п.

Как при прямом ударе молнии в линию электропередачи, так и при разряде вблизи нее вдоль проводов в обе стороны от места разряда будет распространяться волна высокого потенциала (рисунок 1). Достигнув подстанции, эта волна вызовет на ее шинах значительные, хотя и ограниченные разрядниками, перенапряжения, которые будут воздействовать на трансформаторы и всю подключенную к шинам аппаратуру. Эти внешние перенапряжения, несмотря на их ничтожную длительность, измеряемую микросекундами, являются наиболее опасными воздействиями на изоляцию трансформатора. Дело в том, что когда волна перенапряжения, двигаясь вдоль линии электропередачи, достигает трансформатора, на его линейных вводах быстро нарастает напряжение. Скорость при этом столь велика, что в обмотке трансформатора возникает сложный выравнивающий процесс колебательного характера, при котором распределение напряжения по виткам становится крайне неравномерным. Объясняется это тем, что для волн перенапряжений обмотка представляет собой комбинацию емкостей (между соседними катушками и витками, между катушками и заземленными частями трансформатора), и волна распределяется по обмотке в соответствии с величиной емкости ее отдельных частей.

волны перенапряжений вдоль линии электропередачи

1 — линия электропередачи, 2 — трансформаторы, 3 — опора линии
Рисунок 1 — Распространение волны перенапряжений вдоль линии электропередачи

Волны перенапряжений приходят с линии и поэтому воздействуют в первую очередь на изоляцию входных витков и катушек. При этом вся «входная» часть обмотки оказывается под воздействием максимальных градиентов, т. е. максимальной разности потенциалов между соседними витками. Эти максимальные напряжения проникают и в глубину обмотки. Таким образом, при внешних перенапряжениях на изоляцию между соседними катушками и витками обмотки воздействует во много раз большее напряжение, чем при нормальной рабочей частоте. Это делает атмосферные перенапряжения особенно опасными для межкатушечной и межвитковой изоляции обмоток. Статистический анализ повреждений изоляции показывает, что для трансформаторов с номинальным напряжением до 220 кВ наиболее опасными являются именно внешние перенапряжения.

Итак, требования к прочности изоляции трансформатора определяются номинальным напряжением сети, а также внутренними и внешними перенапряжениями.

Классификация и виды изоляции трансформатора

В трансформаторе различают внутреннюю и внешнюю изоляции.

Внешней называют воздушную изоляцию между вводами обмоток различных напряжений и фаз. К внешней, кроме того, относят воздушную изоляцию между вводами обмоток и наружными элементами конструкции бака — расширителем, патрубками, газовым реле и т. п., а также воздушную изоляцию самих вводов.

Внутренней называют изоляцию токоведущих частей, расположенных в баке трансформатора. К внутренней, кроме того, относят изоляцию отводов и переключателей внутри бака между собой и заземленными частями трансформатора.

Внутреннюю изоляцию подразделяют на главную и продольную. К главной относят изоляцию обмотки от остова, бака и других заземленных частей, а также от других обмоток, электрически не соединенных с нею. К продольной относят изоляцию между отдельными элементами (витками, катушками) данной обмотки.

Схема классификации изоляции силового трансформатора показана на рисунке 2.

классификации изоляции силового трансформатора

Рисунок 2 — Схема классификации изоляции силового трансформатора

Внутренняя изоляция масляных трансформаторов может быть твердой (между соседними витками или рядом лежащими изолированными отводами); чисто масляной (между катушками, неизолированными отводами или между токоведущими частями вводов и стенкой бака) и комбинированной, т. е. масляной изоляцией в сочетании с твердой.

Твердая изоляция применяется в виде покрытий, изолирования и барьеров. Покрытием называется сравнительно тонкий (не более 1—2 мм) слой изоляции (бумага, лак), плотно охватывающий проводник. Примером покрытия является витковая изоляция обмоточных проводов.

Изолирование отличается от покрытия большей толщиной слоя изоляции (до десятков миллиметров), что позволяет существенно улучшить распределение электрического ноля вокруг проводника. Примером изолирования может служить бумажная изоляция проводов ПБОТ, широко применяемых для отводов трансформаторов.

Барьерами называют прямые или фасонные перегородки из электрокартона, бумажно-бакелитовых цилиндров или трубок, установленных в масляных промежутках между токоведущими и заземленными частями трансформатора.

Изоляция, состоящая из масляных промежутков, разделенных барьерами, называется маслобарьерной.

Главная изоляция масляных трансформаторов выполняется, как правило, маслобарьерной и состоит из цилиндров, перегородок, угловых и круглых шайб из электрокартона, промежутки между которыми заполнены маслом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *