Электрический расчет изоляционных промежутков в трансформаторном масле

Электрическая прочность трансформаторного масла сильно зависит от наличия в нем влаги, газов и механических примесей органического или неорганического происхождения.
Влага может попадать в масло либо непосредственно из атмосферы, либо в результате ее конденсации на стенках резервуара при резких колебаниях окружающей температуры, либо из пропитываемой маслом (находящейся в масле) твердой изоляции (бумага, картон, дерево и т. п.). При нормальной температуре в масле может содержаться в растворенном состоянии до 50 частей воды на миллион частей масла прежде, чем наступит насыщение масла. При повышенных температурах растворимость воды в масле увеличивается и поэтому вполне возможно, что при последующем охлаждении масла в нем появятся мельчайшие капельки выделившейся воды, образуя водомасляную эмульсию. Сферические вкрапления воды, втягиваясь в зоны с высокой напряженностью электрического поля, растягиваются в тонкие нити, пролегающие вдоль силовых линий поля в изоляционном промежутке, способствуя возникновению электрического пробоя. Наличие в масле даже небольших количеств влаги приводит к заметному понижению его электрической прочности.

Газы.

Трансформаторное масло, открытое доступу газов, способно растворять их. Количество растворенного газа пропорционально объему масла и его температуре, а также давлению газа. В результате электрических разрядов в масле может произойти выделение газа либо, наоборот, его поглощение в зависимости от содержания ароматических углеводородов в масле. Кроме того, выделение газа из масла может происходить от вибрации конструктивных элементов АВН, находящихся в масле. Газовыделеине в масле имеет важнейшее значение для бумажно-масляной изоляции, применяемой в измерительных трансформаторах и проходных изоляторах; в масляных выключателях его проявление не столь существенно.
Напряженность электрического поля в газовом пузырьке, погруженном в масло с диэлектрической проницаемостью ег, приблизительно в ег раз выше напряженности поля в окружающем масле. Если напряженность поля внутри газового пузырька окажется выше разрядного градиента для данного газа, то внутри этого пузырька произойдет электрический разряд, который вызовет дальнейшее газообразование из-за разложения окружающего масла дугой. Разряд такого рода называется частичным разрядом, так как при этом происходит пробой только газового пузырька, а не всего изоляционного промежутка между электродами. Однако при определенных обстоятельствах этот процесс может принять лавинообразный характер и привести к полному разряду в изоляционном промежутке.
Частицы органического происхождения, например волокна целлюлозы, заметно влияют на электрическую прочность масла, особенно если в нем имеется влага. Большое количество мельчайших волокон может быть обусловлено применением случайных протирочных материалов, например хлопчатобумажной ветоши. Большинство волокон, попавших в масло, поляризуется, образуя электрические диполи, которые, втягиваясь в зоны с максимальной напряженностью электрического поля, образуют своеобразные мостики. При достаточно высокой напряженности вдоль этих мостиков могут возникать частичные разряды.
В тех случаях когда диэлектрическая проницаемость твердой частицы, находящейся в масле, больше таковой для масла, возникают силы, которые стремятся переместить частицу в зону с максимальной напряженностью. Таким образом в промежутке между электродами могут возникать мостики из таких частиц.
Частицы, размеры которых соответствуют приблизительно размерам одного иона, обычно остаются в масле в рассеянном состоянии. То же можно сказать и о частицах, у которых диэлектрическая проницаемость меньше, чем у масла. Частицы, размеры которых составляют несколько ангстрем, даже без внешнего электрического поля стремятся объединиться в колонии размером 500—3000 А. Это явление называется хлопьеобразованием. Оно приводит к образованию мостиков в промежутке. Хлопьеобразоваиие может произойти и в тех случаях, когда частицы имеют форму волокон.
В масляных выключателях в процессе дугогашения из масла выделяются частицы углерода. Количество выделившегося углерода пропорционально энергии отключаемой дуги, и с увеличением числа коммутаций происходит накопление углерода. Если диэлектрическая проницаемость материала ИК, погруженной в масло, больше, чем у масла, то частицы углерода притягиваются к поверхности ИК и осаждаются на ней, образуя мостики. Частицы углерода могут осаждаться на горизонтальных поверхностях изоляционных деталей, тоже образуя мостики. В результате образования мостиков снижаются изоляционные характеристики выключателя.
Время воздействия напряжения и его форма существенно сказываются на разрядном напряжении промежутка в масле. Электрическая прочность масла при грозовых импульсах 1/50 мкс намного больше, чем при одноминутном напряжении частотой 50 Гц. Для масла коэффициент импульса колеблется от двух до четырех в зависимости от конфигурации электрического поля в промежутке. По данным различных авторов, в масле коэффициент импульса в однородном поле составляет 1,5, в промежутке цилиндр—плоскость повышается до 1,7—2,3, а в промежутке между коаксиальными цилиндрами — до 1,8—2,7. При коммутационных импульсах с ростом длительности фронта импульса коэффициент импульса уменьшается п при фронте волны 500 мкс он изменяется от 1,3 в однородном поле до 1,7 в системе коаксиальных цилиндров.
Давление, под которым находится масло, существенно сказывается на его электрической прочности. Объясняется это тем, что при значительном повышении давления происходит сильное сжатие газовых пузырьков, находящихся в масле, и тем самым увеличивается растворимость газа в масле. На зависимость электрической прочности масла от давления определенное влияние оказывает первоначальное количество газа, находящегося в данном объеме масла. Поэтому увеличение электрической прочности сухого и хорошо очищенного масла с повышением давления значительно меньше, чем у масла, не подвергавшегося подобной обработке. В однородном поле электрическая прочность масла незначительно зависит от давления, а в неоднородном — весьма существенно, повышаясь с его ростом.
Разрядные напряжения в масле между электродами игла—игла и игла—плоскость незначительно зависят от чистоты и сухости масла. Однако они достаточно хорошо представляют зависимость разрядного напряжения от расстояния для многих конструктивных промежутков, имеющих электроды с острыми краями. Худшим вариантом для масла будет разряд между иглой и плоскостью, и очевидно, что при расчете минимального расстояния лучше ориентироваться на этот вариант.
Зависимость разрядного напряжения промышленной частоты в трансформаторном масле между торцами стержней диаметром d (закругленными радиусом г = 0,5d) приведена в табл. 1. Увеличение радиуса кривизны электрода повышает разрядное напряжение промежутка. Однако при увеличении радиуса все больше сказывается влияние качества масла. По мере ухудшения качества масла зависимость пробивного напряжения промежутка шар—плоскость при частоте 50 Гц приближается к такой же зависимости промежутка игла—плоскость.

Таблица 1. Зависимость разрядного напряжения l/pas (действующее значение) между двумя стержнями диаметром d от расстояния между ними I в трансформаторном масле

При повышении температуры масла от 20 до 90 °С его электрическая прочность уменьшается приблизительно на 15—20 %.
Расчет конструктивных изоляционных промежутков в масле заключается в определении длины промежутка I по заданному расчетному напряжению UvaC4 [см. формулы (3-3) и (3-4)1 либо в определении расчетного напряжения для данного промежутка длиной I. Приводимые ниже данные относятся к технически чистому маслу, разрядное напряжение которого в стандартном разряднике составляет 35—50 кВ (ГОСТ 6433.1—71). Напомним, что прочность масла, определенная в стандартном разряднике, сильно влияет на разрядное напряжение масла в однородном поле и слабо — в неоднородном (игла—плоскость).

Расчетное напряжение при отрицательной полярности полного импульса больше на 6—8 %, чем при положительной, при электродах игла—игла и на 12—14 % — при электродах игла — заземленная плоскость.
Перекрытия по поверхности твердой изоляции в масле. Разрядное напряжение на поверхности чистого твердого диэлектрика в масле существенно ниже разрядного напряжения чисто масляного промежутка. Одной из причин этого является притяжение к изоляционной поверхности и осаждение на ней всевозможных загрязняющих частиц, находящихся в масле.


Рис. 1. Влияние барьера на разрядное напряжение в масле в сильнонеоднородном поле

Барьеры из тонкого твердого диэлектрика, установленные в масляном промежутке, существенно повышают его разрядное напряжение (рис. 1). Однако повышение Uрасч зависит от местоположения барьера в промежутке.