Процессы в изоляции под влиянием электрического поля
Изоляция кабелей, длительно находящаяся под напряжением переменного или постоянного тока, подвергается воздействию импульсов перенапряжения. Возникновение ионизации и возрастание tg δ οри переменном напряжении являются важнейшими факторами, ограничивающими возможность повышения напряженности электрического поля в изоляции.
В пропитанной бумажной изоляции, не содержащей газовых включений, ε и tg δ νе зависят от напряженности в диапазоне до 20-25 кв/мм. При повышении напряженности электрического поля в изоляции свыше 25 кв/мм tg6 начинает возрастать. Это можно объяснить вибрацией волокон целлюлозы в переменном электрическом поле вследствие различий ρ и ε масла и бумаги. Применение пленок из полимерных материалов вместо пропитанной бумажной изоляции открывает возможности повышения напряженности электрического поля в изоляции до 50 кв/мм.
В изоляции маслонаполненных кабелей газовые включения могут возникнуть в результате разложения масла в электрическом поле или испарения низших фракций масла при перегреве изоляции кабеля (хотя бы и кратковременном), а также вследствие дефектов монтажа муфт. Поэтому допустимые напряженности в изоляции кабеля значительно ниже 25 кв/мм.
При переменном токе в результате ионизации в газовом включении возникают поверхностные заряды, поле которых в течение одного полупериода направлено против внешнего поля. 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 вспышек ионизации может быть в 2 раза больше и выше частоты приложенного напряжения за счет гармонических составляющих. Процесс ионизации при переменном токе является ухудшающим фактором при старении изоляции, поэтому величина напряженности начала ионизации является пределом напряженности, который допустим для изоляции в процессе эксплуатации. Под действием ионизации увеличивается проводимость пленок, обволакивающих газовые включения, в пропитывающем составе кабеля происходят процессы полимеризации и конденсации с выделением водорода и превращением части пропитывающего состава (массы) в воскообразное изоляционное вещество, называемое обычно воском. При этом размеры газовых включений вследствие их деления уменьшаются, а напряженность ионизации в них увеличивается.
Под действием тангенциальной составляющей напряженности электрического поля ионизированные газовые включения перемещаются между слоями бумаги от больших напряженностей к меньшим и образуют скопление газовых включений. Затем разряд переходит от слоя к слою бумажных лент изоляции кабеля. Обычно поверхностные разряды начинаются в середине ленты, в местах ее последующего пробоя, находящихся под зазором между нижними лентами бумаги, и направлены к краю бумажной ленты.
В порах бумаги происходит отложение углерода, выделившегося из пропиточного состава при его разложении. Углерод вследствие большой проводимости имеет потенциал, близкий к потенциалу токопроводящей жилы, в результате чего в изоляции кабеля возникает тангенциальная (вдоль оси кабеля) составляющая напряженности поля. С проникновением полупроводящего углерода в глубь изоляции тангенциальная напряженность увеличивается, и на поверхности бумажных лент возникают разряды. Так как разряд развивается в обе стороны, то возрастает ток, следы разрядов выявляются более отчетливо- на бумажных лентах происходит воскообра-зование и появляются древовидные побеги (рис. 1-16). В результате образования проводящих углеродистых отложений в изоляции кабеля напряженность в ней возрастает. В дальнейшем в зоне разрушения изоляции развивается тепловой пробой (температура около токопроводящей жилы повышается до 200°С).
Развитие теплового пробоя зависит от температурного хода кривой tg δ, σсловий охлаждения и величины приложенного напряжения. В случае, если теплового пробоя не произошло, ионизационный процесс распространяется вдоль изоляции, и пробой может произойти на значительном расстоянии от места начала развития пробоя у поверхности токопроводящей жилы. В кабелях с пропитанной бумажной изоляцией с экраном из полупроводящих бумаг разрушения изоляции от ионизации выражаются менее отчетливо, чем в изоляции без полупроводящего экрана.
В газонаполненных кабелях низкого и среднего давления при напряжении, незначительно превышающем напряжение ионизации, обычно происходит самозатухание ионизации. В случае, если приложенное напряжение значительно больше напряжения начала ионизации, под действием интенсивной ионизации начинается пробой изоляции около жилы.
При постоянном токе и достаточно высокой напряженности поля Е в газовом включении возникает ионизация, в результате которой (на время порядка 10- 7 сек) газ становится проводящим. При этом на поверхности газового включения образуется свободный поверхностями заряд. Плотность заряда распределяется таким образом, что напряженность поля этого заряда частично скомпенсирует внешнее приложенное поле, так что результирующее иоле в газовом включении уменьшится. При напряженности поля E н процесс ионизации прекращается и газовое включение снова становится непроводящим. Период ионизации на рис. 1-17 обозначен Δt
В дальнейшем свободные заряды стекают через изоляцию, и напряженность поля в газовом включении нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной примерно τ = ε о ερ V . Если бы не происходило ионизации, то напряженность поля достигла бы величины
Но при Е=Е н ионизация возникает снова и цикл повторяется. Продолжительность цикла определяется периодом времени между погасанием и возникновением заряда Δt 2 , который зависит от постоянной τ., находящейся в пределах от нескольких до десятков секунд.
Электрическая прочность изоляции маслонаполненных кабелей и кабелей с вязкой пропиткой при идеально выпрямленном напряжении (не содержащем переменной составляющей) лежит в пределах 90-150 кв/мм и мало зависит от длительности приложения напряжения. В кабелях с вязкой пропиткой в результате термических циклов и стекания пропитывающего состава электрическая прочность может снижаться до 45 кв/мм. При увеличении давления с 10 до 40 н/см 2 увеличение электрической прочности не превышает 10-15%. Дальнейшее повышение давления практически не влияет на величину электрической прочности. В кабелях постоянного тока с вязкой пропиткой рабочая максимальная напряженность у поверхности токопроводящей жилы составляет от 14 до 22 кв/мм, а в маслонаполненных кабелях от 20 до 30 кв/мм.
При переменном токе вспышки ионизации происходят каждый полупериод, а при постоянном токе только при включениях и отключениях напряжения. Это объясняется тем, что при ионизации газовых включений в объеме изоляции на их стенках образуются поверхностные заряды, электрическое поле которых при постоянном токе направлено против основного поля 'в кабеле, что способствует затуханию ионизации. При перемене полярности поле зарядов совпадает с основным электрическим полем кабеля, т. е. напряженность в газовых включениях увеличивается, способствуя развитию ионизации.
При подъеме напряжения в момент t, когда напряжение на газовом включении достигает уровня, достаточного для вспышки ионизации, в газовом включении возникают поверхностные заряды, создающие поле, обратное основному полю в кабеле. С увеличением напряжения плотность поверхностных зарядов возрастает и при подъеме напряжения до значения U 0 в момент t 2 напряжение, создаваемое поверхностными зарядами, U i = U 0 - U n таково, что ионизация гаснет. Если бы сопротивление изоляции поверхности газового включения было бесконечно велико и образовавшиеся поверхностные заряды не стекали, ионизация прекратилась бы и напряжение на включении сохранилось бы равным U n . Однако вследствие медленного стекания зарядов напряжение, создаваемое ими, уменьшается, а напряжение на газовом включении возрастает и в момент t 3 становится равным напряжению зажигания U 3 , лри котором вновь вспыхивает ионизация, которая опять продолжается до тех пор, пока напряжение на газовом включении U i не станет равным напряжению погасания U n (момент t 4 ). Если предположить, что напряжение после прекращения ионизации изменяется по экспоненциальному закону
то для повторения вспышки ионизации должно быть соблюдено условие
При выключении постоянного тока (разряд кабеля) поле в газовом включении определяется только плотностью поверхностных зарядов, и в зависимости от моментa выключения напряжение в газовом включении может иметь значения от U o - U з до U o - U n .. Если напряжение, обусловленное плотностью поверхностных зарядов, больше напряжения зажигания, то при отключении напряжения вновь вспыхивает ионизация, которая продолжается до тех пор, пока плотность поверхностных зарядов в газовых включениях не уменьшится до величины, при которой создаваемое ими напряжение станет меньше напряжения погасания. Таким образом, по значениям U 3 и U п а также условной емкости газового включения и сопротивления разряда можно вычислить частоту вспышек ионизации.
Экспериментальная проверка, проведенная в НИИПТ, показала, что при подъеме напряжения постоянного тока до максимального значения ионизация, имеющая место одновременно в ряде газовых включений, не прекращается, а интенсивность ионизации, измеренная числом вспышек, уменьшается постепенно.
