Импульсный электрический пробой последовательных комбинаций трансформаторного масла с некоторыми полимерными диэлектриками в широком диапазоне температур

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

Том 180 1971

ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ КОМБИНАЦИЙ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА С НЕКОТОРЫМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ДИЭЛЕКТРИКАМИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Ю. И. ЛЕХТ

В практике высоковольтного аппаратостроения широкое применение находит комбинированная изоляция. Широко используемая бумаж-номасляная изоляция резко изменяет свои электрические свойства с изменением температуры. А диапазон рабочих температур целого ряда высоковольтных установок для отдельных районов страны может составлять (—50-*- + 70)°С. По литературным данным [1—3], некоторые полимерные твердые диэлектрики почти не меняют своих электрических свойств в широком диапазоне температур. Поэтому исследование импульсных характеристик электрического пробоя комбинации трансформаторного масла с некоторыми полимерными диэлектриками представляет определенный научный и практический интерес.

В настоящей работе исследовались комбинации трансформаторного масла с полиэтиленом высокого и низкого давления и с фторопла-стом-4 при температурах от — 40 до + 90°С.

Образцы полимерных диэлектриков прямоугольной формы нарезались из листов и блоков одной партии поступления. В случае расположения твердого диэлектрика у острия для устранения краевых разрядов в образцах высверливалась коническая лунка с углом при вершине конуса 30°. Толщина образцов в месте пробоя принималась 1 мм и контролировалась прибором ИЗВ-1 с точностью до 0,01 мм. В случае расположения твердого диэлектрика на плоскости толщина образцов по всей поверхности была одинаковой и составляла 1 мм. Толщина образцов контролировалась микрометром с точностью до 0,01 мм.

Исследования проводились в термокамере типа МПС-500 со специально смонтированным высоковольтным вводом на 300 кв (интервал рабочих температур от —70 до + 100°С). Температура в камере измерялась электрическим термометром с точностью до 1°С.

В качестве изолирующей среды использовалось технически чистое трансформаторное масло, электрическая прочность которого составляла 40 кв в стандартном маслопробойнике. Толщина масляной прослойки составляла 1 мм.

Партия образцов, а также трансформаторное масло в фарфоровом сосуде перед пробоем выдерживались в термокамере при заданной температуре не менее 60 мин. Исследования проводились в резконеоднород-ном поле острие — плоскость на импульсах напряжения положительной полярности.

Источником однократных высоковольтных импульсов служил многоступенчатый генератор импульсных напряжений с максимальной амплитудой 400 кв и емкостью в разряде 0,012 мкф. Величина пробивного напряжения регистрировалась с помощью осциллографа ОК-19М2, включенного через активный делитель сопротивлением 8200 ом. Пробивные характеристики снимались на фронте однократного импульса при скоростях нарастания напряжения на образце — 5-Ю11; 2,5-101! и 0,3 • 10й .в/сек. Каждая точка полученных характеристик построена на основе обработки 20 и более осциллограмм пробоя.

На рис. 1 представлены температурные зависимости импульсных пробивных напряжений последовательной комбинации трансформаторного масла с полиэтиленом низкого давления. Напряжения пробоя

Рис. I. Температурные зависимости напряжений пробоя комбинации трансформаторного масла с полиэтиленом низкого давления: 1, 2, 3 — полиэтилен расположен у острия

с ростом крутизны фронта импульса в исследуемом диапазоне температур увеличиваются как в случае расположения твердого диэлектрика у острия, так и в случае помещения его на плоскости. Отмечено, что в диапазоне исследуемых экспозиций пробивные напряжения практически не зависят от температуры в интервале от +90 до —40°С. При этом пробивные напряжения при расположении полиэтилена у электрода с меньшим радиусом кривизны выше, чем при помещении прослойки масла в область больших напряженностей поля. Причем с уменьшением скорости нарастания напряжения на образце эта разница увеличивается. Например, при крутизнах фронта импульса 5 • 1011; 2,5-10й и 0,3 • 1011 в/сек разница между пробивными напряжениями составляла 7<%, 11% и 25% соответственно. Это объясняется тем, что при пробое последовательных комбинаций определяющую роль играет электрическая прочность диэлектрика, находящегося в области больших напряженностей поля. Известно [4, 5], что при малых временах воздействия напряжения электрическая прочность трансформаторного масла выше прочности полиэтилена. С ростом экспозиции напряжения прочность трансформаторного масла снижается быстрее, чем прочность полиэти-

Рис. 2. Температурные зависимости напряжений пробоя комбинации трансформаторного масла с полиэтиленом высокого давления: I, 2, 3 — полиэтилен расположен у острия я = 5-10й, 2,5* 10й и 0,3*104 е/се/с соответственно); 4, 5, 6 — полиэтилен расположен на плоскости

и^гКв

130

100

70

цо

-50 -20 +?0 +40 +70 ¿"С

Рис. 3. Температурные зависимости напряжений пробоя комбинации трансформаторного масла с фторопластом-4: 1,2,3 — трансформаторное масло у острия (а^б-1011, 2,5« 1011 и 0,3.104 в/сек соответственно); 4, 5, 6— фторопласт-4 у острия (а=5Л0,11 2,5.104

и 0,3* 10й в/сек соответственно).

лена. В наших экспериментах при скорости нарастания напряжения 5 - 10й в/сек прочность полиэтилена незначительно выше прочности трансформаторного масла. Поэтому разница между пробивными напряжениями двух комбинаций невелика. В случае же крутизны фронта импульса 0,3- 1011 в/сек пробой полиэтилена наступает при значительно больших напряжениях, чем пробой трансформаторного масла. Отсюда и такая высокая разница (25%) между пробивными напряжениями исследуемых комбинаций.

Все вышеизложенное можно отнести и к комбинации трансформаторного масла с полиэтиленом высокого давления (рис. 2).

На рис. 3 представлены температурные зависимости пробивных напряжений последовательной комбинации трансформаторного масла с фторопластом-4. И в этом случае напряжения пробоя с ростом крутизны фронта импульса в исследуемом диапазоне температур увеличиваются. Однако при крутизнах фронта импульса 5 • 1011 и 2,5 • • 1011 в/сёк пробивные напряжения в случае расположения прослойки масла у острия выше, чем при расположении у острия фторопласта-4. Причем в первом случае наблюдается монотонный спад напряжения пробоя с ростом температуры. Это объясняется тем, что при вышеуказанных экспозициях приложенного напряжения прочность трансформаторного масла выше прочности фторопласта. Прочность масла с ростом температуры падает, а прочность фторопласта практически не меняется. Поэтому разница между пробивными напряжениями двух комбинаций с ростом экспозиций и температуры снижается. Например, при ¿ = 40°С и а — 5'1011 в/сек пробивные напряжения в случае расположения у острия трансформаторного масла на 35% выше, чем в случае расположения у острия фторопласта. При ¿= + 90°С эта разница составляет 30%. А при а = 2,5-10й в/сек эта разница равна 26% при f = — 40°С и 20% при t = Ч~ 90°С.

Проделанная работа позволяет заключить, что при выборе комбинированной изоляции в область повышенных напряженностей поля необходимо помещать диэлектрик с большей электрической прочностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Ф. Николаев. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. М—Л., 1964.

2. А. А. Та г ер. Физико-химия полимеров. М., 1963.

1958^ ^ ^ Ска нави. Физика диэлектриков (область сильных полей). ГИФМЛ,

4. А. Т. Ч е п и к о в, А. И. Л и м а с о в. Вольтсекундные характеристики оргстекла и фторопласта-4 в больших толщинах. Изв. СОАН СССР, № 7, 1962.

5. А. Т. Ч е п и к о в, А. И. Л и м а с о в. Вольтсекундные характеристики полярных и неполярных жидкостей. Изв. СО АН СССР, № 8, 1962.