6.4. Явление абсорбции в двухслойном диэлектрике
Характерная особенность внутренней изоляции в том, что изоляционный промежуток нормально заполнен диэлектриком, не имеющим предусмотренного контакта с атмосферным воздухом или с другими влажными средами .
Во многих случаях внутренняя изоляция комбинированная, например, бумажно-масляная или маслобарьерная. Изоляция кабелей также многослойная.
Вода может проникать во внутреннюю изоляцию из воздуха через несовершенную систему герметизации. Водные растворы снижают объемное сопротивление изоляции, растут диэлектрические потери и повышение температуры ускоряет ее старение. Специальное мероприятие — сушка изоляции -удаляет поглощенную влагу. Решение о проведении сушки с учетом стоимости ее выполнения принимается на основе надежной информации о достижении опасной степени увлажнения. Необходимая информация основывается на периодическом контроле состояния изоляции электрооборудования высокого напряжения. Неразрушающие испытания основываются на косвенных оценках характеристик изоляции и удобны тем, что используют пониженные напряжения. Один из методов таких испытаний основан на явлении абсорбции в послойно неоднородном диэлектрике. В простом случае диэлектрик предполагает два слоя с плоской границей раздела, реализация имеет вид плоского двухслойного диэлектрика конденсатора. Явление абсорбции рассматривается при исследований электрических полей и анализе электрической цепи. Оба метода приводят к одинаковым результатам, но в инженерном смысле выводы анализа электрической цепи удобнее для практического использования, тогда как рассмотрение электрических полей лучше объясняет физический смысл явления абсорбции.
6.4.1. Рассмотрим включение двухслойного конденсатора с несовершенной изоляцией на источник напряжения постоянного тока. Анализ процесса с использованием метода теории электрического поля выполнен для плоского конденсатора с обкладками М и N /рис.6.6/ Диэлектрик конденсатора имеет два слоя толщиной d
и d2 . Включение конденсатора к источнику напряжения U практически сразу вызывает появление на обкладках М и N начальных зарядов с плитностями 
и 
В это же время напряжённости электрического поля в слоях пропорциональны их диэлектрическим проницаемостям
/6.15/
86
В следующий момент времени на поле в слоях начинают влиять токи проводимости с соответствующими плотностями
/6.16/
В общем случае токи j
и j2 между собой не равны, по этой причине накапливается свободный электрический заряд на границе L раздела слоев.
Рассмотрим случай, когда 
<
и 
>
. Тогда с учетом неравенства Е2н>Е1н получим 
>
/на границе накапливается положительный заряд/. Заряд на плоскости L вызывает снижение напряженности Е2 и увеличение Е1. Соответственно эти изменения напряжённостей определяют спад тока
и рост
. Переходный процесс завершается при уравнивании токов 
и стабилизации величины свободного заряда на плоскости L . Для установившегося режима справедливо
или 
/6.17/ С начального момента до достижения установившегося состояния полный
ток i в первом и втором слое одинаков и имеет две составляющие: активную и
реактивную в виде тока смещения.
Таким образом, плотность полного тока
/6.18/
Уравнение /6.18/ дополним вторым уравнением вида
/6 19/
Используя /6.19/, исключаем Е2 в уравнении/6.18/
./6 20/
Решение дифференциального уравнения /6. 20/ общеизвестно:
/6.21/
При t = 0 /момент включения конденсатора под напряжение U/ можно записать равенства: из /6.19/
и 
из /6.15/ 
Тогда
или 
/622/
При t=0 из /6.21/ следует 
или с учётом /6.17/
' /6.23/
Введем как постоянную времени в выражение /6. 21/
Окончательно для напряженности в первом слое имеем
/6.24/
Для полного тока i цепи определим его плотность) в соответствии с /6.18/ и при подстановке выражения Ei в /6.24/:
Затухающая во времени с постоянной Т составляющая тока обусловлена накоплением свободного заряда на границе раздела L и, соответственно, называется абсорбционной 
Установившийся ток следует понимать как ток утечки изоляции. Полный ток i=jS /где S -площадь электрода конденсатора/. Таким образом, сопротивление конденсатора во время от начального значения 
растет до установившегося значения 
. Скорость спада тока определенно зависит от параметров изоляции конденсатора. В случае отклонения в процессе эксплуатации формы R(t) от исходной возможно заключение о степени, например, ухудшения изоляции. Для такого заключения опыты должны выполняться на одинаковом напряжении.
6.4.2. Проанализируем переходный процесс включения схемы замещения двухслойного конденсатора на постоянное напряжение на базе рис. 6.7.
Рис 6.7
В общем случае плоская изоляция может состоять из ряда слоев с различающимися проводимостями у , диэлектрическими постоянными
и толщинами d , что позволяет для некоторой площади изоляции составить цепочку из элементов R и С , эквивалентирующих сопротивление и емкость слоя.
Подключение напряжения Uo к точкам аивцепочки ячеек R-C вызывает протекание тока i(t) . Известно аналитическое исследование для i(t) при многоячеечной цепочке, но для изучения метода достаточно рассмотреть двухслойный конденсатор. Непосредственно при подаче скачком в момент to напряжения Uo происходит заряд емкостей C
и С2 , т.е. напряжения в слоях распределились как
/6.26/
тогда как в установившемся режиме при том же напряжении U распределение определено сопротивлениями слоев:
/6.27/
Присутствие сопротивлений 
и 
обусловливает в общем случае в установившемся режиме неравенство 
, из чего следует
/6.28/
где qa6c - заряд абсорбции на плоскости раздела сдоев.
Для электрически однородной изоляции, когда
,заряд qa6c отсутствует.
Закон изменения тока i(t) для схемы замещения из двух ячеек получим следующим образом. В операторной форме ток
/6 29/
Сопротивление
В соответствии с теоремой разложения оригинал проводимости
/6.31 /
где 
- решение уравнения А(р)=0;
/6 32/
Введение 16. 32/ в выражение для B(p
) дает
Производная A /(p)=R1 R2 (C
+C2) , Поскольку В(0)=1 и A(0)=R
+ R2 , интересующий нас ток по выражению /6.29/ представляется в виде суммы двух токов:
В соответствии с /6.31/ и/6.32/ постоянная времени
/6 34/
Ток установившегося режима 
соответствует так называемому сквозному току утечки:
Типичная форма тока показана на рис. 6.8. Возможны следующие причины появления неоднородности изоляции: неоднородность предусмотрена конструкцией изоляции; происходит увлажнение части исходно однородной по толщине изоляции.
Кроме того, исходно неоднородная в слоях изоляция может вследствие увлажнения одного из слоев существенно изменить свои параметры. Допустим, увлажнение первого слоя является причиной усиления неравенства R1 < R2 при неизменности R2 . Постоянная времени
/6.35/
уменьшается относительно исходного значения по /6.34/ и возрастает ток абсорбции
/6.36/
Увеличивается скорость спада тока абсорбции, что свидетельствует в рассматриваемом примере об увлажнении первого слоя. Состояние изоляции характеризует коэффициент состояния
/6.37/
где токи и моменты их измерения показаны на рис. 6.8.
Введение в коэффициент кс заряда геометрической емкости объекта 
делает коэффициент независимым от напряжения Uo и геометрических размеров изоляции:
В практике для оценки состояния изоляции в основном используют коэффициент абсорбции
/6.38/
где сопротивления
измерены в моменты времени 15 и 60 с, счи-
тая от момента подачи напряжения Uo на объект. При Uo=cons t
. /6.39/
Усиление увлажнения изоляции приводит к неравенству 
>
и 
нормальная изоляция имеет малый ток 
, ток абсорбции спадает во времени медленно и ка >1.
Существует обоснованное на практических оценках мнение, что в случае
90
/6.40/
изоляция в сушке не нуждается.
Возможны случаи, когда увлажнение изоляции наблюдается в весьма тонким слое; при этом несмотря на реально удовлетворительное состояние изоляции измерения дадут низкое значение коэффициента ка и заключение о необходимости сушки может оказаться неточным.
Явление абсорбции можно использовать для приближенной оценки толщины увлажнения слоя
исходно однородной сухой изоляции /толщина d /
При этом принимаем два допущения:
относительное увеличение электропроводимости увлажняемого слоя
известно; увлажнение не изменяет диэлектрическую проницаемость
в слое толщиной d
£
Нормально сухая изоляция характеризуется постоянной времени
<
При появлении слоя d
с увеличенной проводимостью 
в условиях постоянства приложенного к изоляции напряжения следует ожидать снижение сопротивления утечки Rym и более быстрый спад тока в цепи. Проявление этих двух эффектов зависит oi относительной толщины did
1 и может быть представлено семейством расчетных кривых на рис. 6.9.
Учитывая общий характер кривых на рис. 6.9, их можно использовать для приближенной трактовки результатов измерений сопротивления R(t) . Пусть семейство кривых заранее рассчитано для изоляции с известными
. Тогда, измерив сопротивление R(t) и преобразовав полученный результат к виду
путем совмещения экспериментальной кривой с одной из рассчитанных можно оценить толщину d
d
1.
6.4.3. Модель двухслойной изоляции позволяет объяснить известный из практики факт восстановления напряжения на конденсаторе после его отключения от источника напряжения Uo. постоянного тока и кратковременного закорачивания его обкладок.
Будем считать, что за время отключения и закорачивания конденсатора с двухслойной изоляцией сопротивления R
и R2 не успевают проявиться и их временно можно не учитывать.
Рассмотрим последовательно по ходу выполнения коммутаций изменение состояния емкостей в упрощенной /без резисторов/ схеме замещения. Исходное состояние, т.е.: распределение зарядов к моменту отключения от источника, изображено на рис. 6.10, причем граница раздела слоев с накопленным зарядом qa6c показана общей обкладкой (2) емкостей С
и С2 . На рис. 6.11 уточнено распределение зарядов для емкостей CiH C2 с учетом того, что qi=qn + 0.5qa6i и q2=q
-0.5qa6c, Заряды геометрических ёмкостей q
и q
для последователь-
но соединенных емкостей C
и С2 , включенных на напряжение Uo , равны. Закорачивание конденсатора с двухслойным диэлектриком, т.е. соединение точек (1) и (3) приводит к схеме по рис .6.12.
После нейтрализации зарядов q
и q
на параллельно соединенных емкостях C
и С
сохраняется заряд q
и напряжение ua6c=qa6c(C
+ С2 )
. Заряд
распределяется между С
и С2:
Разъединение точек (1) и (3) при снятии закоротки образует схему по рис. 6.13.
После коммутации емкости С
и С2 оказываются заряженными разнополярно одинаковыми по значению напряжениями иабс. Поскольку длительность состояния после снятия закоротки может быть произвольно долгой, необходимо вернуться к сопротивлениям R
и R2 . Происходит разряд емкостей С
и С2 на соответствующие сопротивления с постоянными времени 
и T2=R
C
. Разница напряжений u
(t) и u2(t) определяет восстанавливающееся напряжение ue(t), как это показано на рис. 6.14 для случая T
< Т2 . Форма напряжения Ue(t) импульсная:
Феномен восстанавливающегося напряжения на практике не используется для оценки состояния изоляции вследствие сложности расшифровки связи наблюдаемого напряжения ue(t) с параметрами изоляции.
Появление восстанавливающегося напряжения должно обязательно учитываться при выборе мер электробезопасности во время работ со схемами, содержащими высоковольтные накопительные конденсаторы большой емкости.
Контрольные вопросы
- Задачи электрических испытаний высоковольтной изоляции.
- Основные характеристики частичных разрядов в изоляции. Кажущийся
заряд частичного разряда. - Временной ход изменения тока утечки в многослойной изоляции при
внезапном приложении напряжения. - Ограничения использования явления абсорбции для диагностирования
состояния изоляции. - Эффект самовосстановления напряжения на конденсаторе.
Литература
Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. -Л.: Энергия, 1979.-224 с.
Техника высоких напряжений: Лабораторный практикум. - К.: Выща шк., 1987.-216 с.
Базуткин В.В. и др. Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -464 с.