Об электрической прочности твердых диэлектриков в широком интервале скорости нарастания импульсного напряжения

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

.Том 159 1967 г.

ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В. Ф. ПАНИН

Введение

При сложившихся нормах защиты высоковольтной изоляции от грозовых перенапряжений показателями импульсной прочности изоляционных конструкций являются 50%-е разрядное напряжение и вольтсе-кундные характеристики, получаемые с использованием стандартных импульсов 1,5/40 (1/50) мксек. Результаты измерений электрической прочности твердых диэлектриков при стандартных импульсах, выполненные многими исследователями, явились основой проектирования высоковольтных аппаратов с твердой изоляцией, с координацией по атмосферным перенапряжениям.

Улучшение характеристик грозовых разрядников дало возможность снижения уровней твердой изоляции. Однако для реализации этой возможности необходимо изучение поведения изоляции при нестандартных импульсных напряжениях, к которым в основном относятся коммутационные перейапряжения. Последние отличаются большим разнообразием форм. Частоты колебаний при коммутациях, лежат в пределах 102—105 гц в связи с чем возникают понятные трудности в систематическом изучении электрической прочности твердой изоляции при воздействиях коммутационной формы, особенно при изучении ее прочности в больших междуэлектродных промежутках.

При постановке исследований прочности твердой изоляции в области воздействия коммутационных перенапряжений необходимо решить вопрос: изменение каких параметров, характеризующих форму импульсного напряжения, оказывает наибольшее влияние на разрядный процесс в твердом диэлектрике и, следовательно, на его электрическую прочность.

Анализ пространственно-временных картин и количественных характеристик разряда в воздухе и жидкости по данным [1—5 и др.] с учетом известных аналогий в развитии разряда в воздухе и твердых диэлектриках [6,7 -г-9] показал, что для твердых диэлектриков, как для воздуха и жидкостей, параметром, определяющим особенности развития разряда при импульсах разной формы, является скорость нарастания напряжения.

Этот вывод позволил сделать заключение о том, что для систематических исследований поведения твердой изоляции в условиях воздействия коммутационных перенапряжений целесообразно изучить ее электрическую прочность на косоугольных волнах напряжения с крутизнами, соответствующими интервалу крутизн реальных перенапряжений: 103-ь 10"2 /се/мксек.

\

Методика исследования

В соответствии с изложенным при изучении электрической прочности твердой изоляции в области воздействия коммутационной формы была принята методика исследований, заключающаяся в следующем: измерение средних разрядных напряжений и стандартных отклонений разрядного напряжения от среднего значения при пробое твердых диэлектриков на фронте экспоненциального импульса (крутизна импульса изменялась в пределах 1,4- 103—10~2 кв/мксек); последующий сравнительный анализ полученных и литературных данных.

Аппаратура и метод обработки результатов описаны в [10, 11].

Исследовалась электрическая прочность образцов из модельных диэлектриков: кристаллического (лед) и аморфного (битум) в типовых разрядных промежутках «острие — плоскость» длиной Юн-15 мм при обеих полярностях оспрш и «шар — плоскость» длиной 10 мм при положительной полярности сферического электрода.

Образцы льда изготавливались по методике, принятой в [¡12], образцы битума — путем заливки расплавленного и затем охлажденного до 112°С битума в лагунные формы при температуре окружающего воздуха 18^-26 С и атмосферном давлении.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 (кривая 1) представлены зависимости средних разрядных напряжений ир от' крутизны импульса ас? для образцов льда в промежутке «О—П», 15 мм; Характерной особенностью зависимости (У р(асрь

400

3 00

2ЛО

то

аор 1Ш.

' АГиСРЦ

Рис. 1. Зависимость разрядного напряжения и9 от крутизны аср положительной косоугольной волны для образцов льда: 1—для средних значений, 2 —для значений иср—2о, 3—для значений £/ср—За.

является аномальное снижение средних разрядных напряжений в области крутизны около 30 кв/мксек. Приданной крутизне средние разрядные напряжения были примерно равны разрядным напряжениям при кру-

тизне~ Ю-2 кв/мксек, соответствующей максимальной длительности коммутационных перенапряжений.

Другой характерной особенностью электрической прочности образцов льда является значительное повышение разброса разрядных напряжений в области крутизны около 30 кв/мксек. На рис. 2 представлена зависимость стандартного отклонения а от крутизны напряжения для образцов льда. Как следует из рис. 2, величина о в области крутизны 30 кв/мксек в 1,5н-2,5 раза превышает разброс при других крутизнах. Снижение средних разрядных напряжений и повышенный разброс

Рис. 2. Зависимость стандартного отклонения о от крутизны для образцов

льда.

результатов в области крутизны, а ~ 30 кв/мксек обусловливают значительное снижение уровней иср—2а и За, которыми в практике характеризуют выдерживаемые напряжения изоляционных конструкций, рис. 1 (кривые 2 и 3), где иср —среднее разрядное напряжение.

На рис. 3 и 4 представлены результаты измерений для образцов битума. Как видно, для битума также характерными являются значительное уменьшение средних разрядных напряжений и повышенный разброс результатов в области крутизны около 30 кв/мксек. Как и в случае льда, в области крутизны 30 кв/мксек уровни напряжения ¿Уср —2а и «/ср —За значительно ниже соответствующих уровней в области крутизны 10 ~2 кв/мксек.

Аналогичный эффект уменьшения импульсной прочности в области крутизны 30 кв/мксек установлен также для образцов из льда и битума при их пробое в слабонеравномерном поле, при положительной полярности сферического электрода. При отрицательной полярности острия указанный эффект наблюдался в случае битума. Для зависимостей разрядного напряжения образцов льда от крутизны при отрицательной полярности острия характерно монотонное уменьшение разрядного напряжения с уменьшением крутизны волны.

ар, ив

1

Рис. 4. То же, что на рис. 2, но для образцов битума.

Представляло интерес сравнить полученные результаты с данными ранее опубликованных работ по пробою твердых диэлектриков на косоугольных волнах напряжения. Сравнительный анализ полученных и литературных данных показал, что твердые диэлектрики с различными физико-химическими свойствами при кх пробое в разрядных промежутках разной длины, с электродами разной формы характеризуются аномально низкими разрядными напряжениями в области крутизны 30 кв/мксек, которая в дальнейшем будет определяться как критическая. Некоторые результаты сравнительной оценки ^приведены в табл. 1, по данным [12—14].

Важно отметить, что аналогичный вывод — о существовании критических крутизн — сделан и в отношении газообразной (воздух) и жидкой (трансформаторное масло) изолирующих сред [15].

В ранее опубликованных работах [16, 17] наличие минимума в вольт-секундных характеристиках твердых диэлектриков связывалось с поляризационными процессами, играющими значительную роль при импульсном пробое твердых диэлектриков в слабонеравномерном поле.

В случае пробоя твердых диэлектриков в резконеравномерном поле объемные поляризационные заряды, по-видимому, также оказывают определенное влияние на уровень прочности диэлектрика при разной скорости нарастания напряжения. Однако в этом случае задолго до пробоя начинается ионизационный процесс, сопровождающийся образованием ионизационных объемных зарядов.

Для промежутков в воздухе с резко неравномерным полем непосредственными измерениями установлено [5], что уровень прочности промежутка однозначно связан с величиной избыточного объемного заряда, внедренного в промежуток разрядным процессом, причем минимуму объемного заряда соответствует минимальное разрядное напряжение.

Проводимые в литературе аналогии между развитием разряда в твердых диэлектриках и в воздухе [6,7 -н 9], в жидкости и в воздухе [4, 18, 19] дают основания полагать, что разрядные напряжения твердых диэлектриков при разных скоростях нарастания напряжения также определяются различной величиной объемных ионизационных зарядов, внедряемых в промежуток разрядным процессом.

Интересно отметить, что влияние ионизационных объемных зарядов на электрическую прочность твердых диэлектриков аналогично влиянию поляризационных объемных зарядов. Об этом свидетельствует совпадение крутизны минимальной прочности для образцов, пробиваемых в слабо- и резконеравномерном полях (рис. 1, 3, табл. 1).

Заслуживает внимания совпадение критических скоростей нарастания напряжения для твердых диэлектриков,, независимо от физико-химических свойств диэлектрика, длины междуэлектродного промежутка, формы электродов. Этот факт можно истолковать на основе представлений о кинетике разряда в длинных воздушных промежутках, используя отмеченные выше аналогии.

Согласно [20], аномальное уменьшение разрядных напряжений длинных воздушных промежутков при временах нарастания напряжения 100^300 мксек обусловлено совпадением скоростей распространения внешнего поля в промежутке и дрейфа объемного заряда, что приводит к увеличению результирующего поля и понижению прочности промежутка. С другой стороны, по [15] минимум прочности воздушных промежутков имеет место при одной и той же, критической, крутизне напряжения (около 7 кв/мксек). Если учесть, что скорость распространения внешнего поля в диэлектрике определяется скоростью нарастания напряжения между электродами, то изложенное приводит к следующему заключению: снижение прочности промежутков разной длины и с электродами

различной формы при одной, критической, крутизне обусловлено постоянством скорости дрейфа объемного заряда © данной среде. Различия в физико-химических свойствах твердых диэлектриков по-видимому ке могут существенно 'влиять на скорость дрейфа объемного заряда, и решающим в данном случае ¿является принадлежность диэлектрика к одному из агрегатных состояний изолирующих сред.

Таблица 1

Значения критической крутизны для твердых диэлектриков

Материалы Авторы Электр, системы Длина промежутка, мм Полярность Значение, кв\мксек

Монокристаллы NaCl [13,12] О. -П. 0,7; 10 » ~Г 30; 37

— 15; 30

[13,И] / Ш.—п. 0,15 + 17,5; 17

— 17,5

Монокристаллы KCl [13] Ш.—п. 0,15 1 + 18

— 18

Монокристаллы КВг [13] ш.—п. 0,15 4- 18

— 18

Монокристаллы KI [13] ш.-п. 0,15 — 20

20

Органич. стекло [12] О. — п. о + 30

— нет

[13] Ш. — п. 0,05 35

Лед [12] о. —п. 15 ! 37

— 22

Ш.--П. 10 1 .22

Парафин [12] о.— п. 34 + 40

40

Ш. — п. 34 нет

Примечание: О—острие, LLI— шар, П -плоскость.

Предположение об однозначной связи между величиной избыточного объемного заряда и разрядного напряжения твердого диэлектрика дает возможность объяснить снижение средних разрядных напряжений исследованных в работе образцов в области крутизн, меньших 10 кв/мксек

Образование объемного, заряда ^сопровождается обратным процессом: его рассасыванием [21] или диффундированием на периферию образца под действием высоких градиентов на его границах. Интенсивность рассасывания должна возрастать при увеличении длительности приложения напряжения и повышении электропроводности материала. В области уменьшения крутизны от~ 102 кв/мксек до 10 кв/мксек преобладают, по всей вероятности, процессы, ведущие к увеличению объемных зарядов. При крутизнах, меньших 10 кв/мксек, начинает сказываться утечка зарядов, что приводит к уменьшению его величины и, следовательно, к уменьшению разрядного напряжения.

Для монокристаллов каменной соли, отличающихся весьма малой электропроводностью, снижения разрядного напряжения при крутизнах, меньших 10 кв/мксек, не установлено [21], что подтверждает предположение о значительном влиянии электропроводности на условия образования объемных зарядов и их роль в электрическом пробое.

При рассмотрении причин снижения разрядного напряжения диэлектриков в области малых крутизн следует учитывать тепловой эффект токов проводимости, на возможность которого (даже при длительности 10 ~ 5 сек) указывают опыты Келлера [22] и Фермера [23].

Таким образом, представленные результаты конкретизируют представления о закономерностях поведения твердой изоляции в условиях воздействия перенапряжений с большим разнообразием форм, указывают на необходимость учета особенностей разряда на импульсах разной формы при постановке исследования прочности в области коммутационных .перенапряжений.

Установление для твердых диэлектриков критической крутизны напряжения, характеризующейся аномальным уменьшением разрядного напряжения, дало возможность систематического подхода к установлению форм наиболее опасных для твердой изоляции перенапряжений. Наиболее опасными перенапряжениями являются импульсные воздействия, крутизна которых лежит в области критической.

Для типичных форм коммутационных перенапряжений, которые можно свести к апериодическим, пульсирующим и колебательным импульсам, получены выражения, связывающие длительность фронта Тф апериодического -импульса, частоты пульсирующего и колебательного импульсов/С08 и /sin с величиной импульсного напряжения и критической крутизной ак = 30 кв/мксек.

_ 1,06 иа m

^кр

/-. = -2=^.

Якр

Если вместо Ua положить амплитуды перенапряжений с крутизной акр , представляющие опасность для изоляции, можно получить значения опасных параметров Тф, /cos> /т для твердой изоляции на разные классы напряжения.

В табл. 2 представлены результаты расчета опасных параметров, произведенного для изоляции на номинальное напряжение 110-^330 кз.

Как видно из табл. 2, расчетные значения частот пульсации и колебаний опасных импульсов соответствуют средним частотам реальных коммутационных перенапряжений (килогерцы — десятки килогерц).

Это дает основания считать, что аномальное снижение импульсной электрической прочности твердых диэлектриков в области критических крутизн необходимо учитывать при выборе уровней твердой изоляции, работающей в условиях воздействия перенапряжений с средней частотой колебаний. Таблица 2

Параметры опасных перенапряжений для твердой изоляции

Класс напряжения -ф±Н,3 % /cos±14>3% /sin ±14,3%

кв мксек кгц кгц

110 9,06 39 24,7

220 18,2 19,5 12,35

330 24,5 14,48 9,15

Выводы

1. Для изучения поведения твердой изоляции в условиях воздействия перенапряжений различной формы целесообразны исследования электрической прочности твердых диэлектриков на косоугольных ©олнах в ин: тервале крутизн реальных перенапряжений 103-^10~2 кв/мксек.

2. Электрическая прочность твердых диэлектриков в типовых разрядных промежутках характеризуется аномальным снижением средних разрядных напряжений и повышенным разбросом результатов в области крутизны 30 кв/мксек.

3. Эффект аномального снижения разрядных напряжений твердых диэлектриков в разрядных промежутках с резконеравномерным полем по-видимому обусловлен той же ролью объемных ионизационных зарядов, которую последние играют при пробое длинных промежутков в вюздухе и жидкости.

4. Для твердой изоляции на напряжения 110-^-330 кв наиболее опасными перенапряжениями следует считать коммутационные перенапряжения с частотами колебаний 9^-40 кгц.

ЛИТЕРАТУРА

1. И. С. С т е к о л ь н и к о в. Природа длинной искры. Изд. АНСССР, 1960.

2. И. С. С т е к о л ьн ик о в, Е. Н. Б р а г о, Э. М. Б а з е л я н. ЖТФ, 32, вып. 8, 1962.

3. И. С. С те кольни ков,, А. В. Ш к и л е в. ДАН, 151, № 4, 1963.

4. В. Я. Ушаков. Диссертация, Томск, 1965-

5. Э. М. Базелян. ЖТФ, 36, вып. 2, 1966.

6. M. A. M е л ь н и к о в. Диссертация, Томск, 1959.

7. Müller И., Wiss. Zeitschr. Techn. Hochsch., Dresden, 4, 629, 1954—55.

8. С asp a vi M. E., Phys. Rev., V. 98, № 6, 1675, 1955.

9. A. A. Воробьев, Г. A. Воробьев, M. A. Мельнико в. ФТТ, 2, -№ 9, 1960.

10. И. И. К а л я ц к и й, В. Ф. Панин. Изв. вузов СССР—Энергетика, № 6, 1966.

;11. В .Ф. Панин. Изв. ТПИ, Томск, т. 139,'1965.

!12. А. В. А с т а ф у р о в. Диссертация, Томск, 1958.

13. Г. А. Воробьев. Диссертация, Томск, ¡1956.

14. В. Д. К у ч и н. Диссертация, Томск, 1958.

А. А. В о р о б ь е в, И. И. К а л я ц к и й, В. Ф. П а н и н. Изв. ТПИ, т. 152, Томск, 1966.

¡16. А. Von Hippel a. R. S. Alger, Phys. Rev., 76, 127, 1949.

17. Г. А. Воробьев. ЖЭТФ, т. 30, вып. 2, 1956.

!18. В. С. Комельков. ДАН СССР, 47, № 4, 1945.

119. В. С. Комельков. ДАН СССР, ЖТФ, т. 31, вып. 8, 1961.

20. Boylett. F.D. A., Edwards H. G. J., Williams В. G., «Nature» (engl.), 207, № 5001, 1086, 1965.

211. Г. A. Воробьев. Изв. ТПИ, т. 91, Томск, 1956.

22. Keller К- J-, Physica, XVII, № 5, р 511—530, 1951.

23. Vepmer J., Physica, XX, № 6, p. 313, 4954.