Дефекты в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.3.082.77

ДЕФЕКТЫ В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, ПРИВОДЯЩИЕ К ПОЯВЛЕНИЮ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Показано что, даже незначительные дефекты в изоляции электротехнических устройств в долгосрочной перспективе приводят к аварийным ситуациям и выходу оборудования из строя. Рассмотрены разновидности дефектов в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов. Описаны развитие дефектов и их последствия, физические процесы происходящие в них.

Ключевые слова: электротехнические устройства, частичные разряды, диагностика, газонаполненные включения, напряженность электрического поля.

Явление частичных разрядов в изоляции представляет интерес при диагностике состояния электротехнических устройств под нагрузкой. Рассмотрим причины возникновения частичных разрядов в изоляции электротехнических устройств.

Очень часто изоляция высоковольтного оборудования состоит из слоёв различных диэлектриков - электроизоляционных материалов, имеющих различную электрическую проводимость. Также в электроизоляционных материалах присутствуют включения, отличающиеся своими диэлектрическими свойствами от основной изоляции.

Таким образом, разнородность изоляции обуславливает различную диэлектрическую проницаемость структуры изоляции. Разность в диэлектрической проницаемости создаёт предпосылки к перераспределению электрических полей и возникновению участков с повышенной напряжённостью электрического поля.

На рис. 1. изображенаэлектроизоляция, состоящая из двух различных диэлектрических материалов.

Напряженности электрического поля, изображенного на рис 1, можно представить следующей формулой [1]:

В.М. Степанов, А.С. Судавный

и_

А

где Е1, Е2- напряженность электрических полей в первом и втором слоеи-золяции; е,е2- относительные диэлектрические проницаемости соответствующих диэлектриков; А15 А2- толщины соответствующих слоев диэлектрика, Еср - средняя напряженность поля в изоляционном промежутке; и -приложенное напряжение.

Рис.1. Изоляция, состоящая из двух видов электроизоляционных

материалов

Таким образом, различие электрических характеристик слоёв изоляции в электротехнических устройствах сильно влияет на появление не-однородностей в электрическом поле и, как следствие, способствует появлению локальных участков с повышенной напряжённостью.

Часто разнородность структуры изоляции электротехнических устройств обусловлена их конструкцией. Примерами электротехнических устройств с электрической изоляцией, выполненной из нескольких слоёв различных диэлектриков, являются следующие устройства.

1. Трансформаторы - изоляция состоит из слоёв твердого диэлектрика: картон и бумага, а также жидкого диэлектрика - трансформаторного масла. Еще одной причиной неоднородности электрических полей в изоляции трансформаторов являются вкрапления пузырьков газа в трансформаторном масле, образующиеся в результате эксплуатации.

2. Измерительные трансформаторы - в изоляции данных электротехнических устройств также встречаются неоднородности электрического поля, вызванные газонаполненными включениями, закрытыми диэлектрическими клиньями, острыми кромками ёмкостных обкладок.

3. Силовые кабели - источниками неоднородности электрического поля так же являются включения в виде диэлектрических клиньев, газонаполненных включений и острые кромки брони кабеля в муфтах и концевых заделках.

4. В электротехнических устройствах, где основу изоляции составляет газ, источниками неоднородностей будут проводящие включения в газовой среде, а также дефекты изоляторов.

387

Таким образом, основными видами дефектов, вызывающих локальные перенапряжения электрического поля, можно назвать: газонаполненные включения сферической и сфероидной формы, газо- и маслонапол-ненные включения клиновидной формы, а также острые кромки различных металлических конструкций электротехнических аппаратов и кабелей.

На рис.2 изображено сферическое включение в диэлектрик.

тах:

Рис.2. Напряженность поля в сферических включениях

Рассмотрим формулы, описывающие напряженности в этих дефек-

Ев = 3Ем Ер

28 М + 8 В

где еВ, 8М - относительные диэлектрические проницаемости воздуха и масла соответственно; Еср - средняя напряженность поля в изоляционном промежутке;

ЕВ = —  Еср = 4Еср,

8 В

где 8к - относительная диэлектрическая проницаемость картона;

8 Д 8 Д

Еп = cos a Ех = sin a,

8 В 8 В

где Еп - нормальная напряженность; ЕТ - напряжённость по поверхности.

На рис.3 изображено сфероидальное включение в диэлектрик.

Рис.3. Напряженность в сфероидальных включениях

388

Во включениях в виде прослоек и клиньев (рис. 4) есть особенность, которая заключается в том, что из-за их расположения под углом к линиям напряженности поля напряженность в этих дефектах разделяется на две составляющие: нормальную напряженность Еп и напряженность по поверхности включения ЕТ.

Рис.4. Напряженность в маслонаполненных клиньях в слоевой

изоляции

Также рассмотрим напряженность на краях металлических обкладок конденсаторов, брони кабеля и других мет.конструкций с острыми краями, находящимися в теле диэлектрика (рис.5).

Рис.5. Напряженность поля на краях металлических конструкций

в однородной среде

Напряженность на краях металлических обкладок можно выразить следующей формулой:

Е = Е з

км ср '

2Д

\3жрУ\

а.

а

1

Д 0

1+-0-+ Д

( Д 0" 1

Д ,

1

где Д-расстояние от метконструкции до границы диэлектрика; р-расстояние от метконструкции до расчётной точки М; Д0- толщина метконструкции.

Таким образом, рассмотрев возможные варианты появления неод-нородностей электрического поля в изоляции, перейдём к следствию их появления, а именно частичным разрядам. Под воздействием переменно-

2

2

3

а1 =

го напряжения на границе однородного диэлектрика и включения концентрируются заряды, в тот момент, когда локальная напряженность превосходит диэлектрическую проницаемость в теле включения, происходит разряд, в результате разряда - следующие процессы: электромагнитное излучение, разложение диэлектрика, световое излучение, нагрев изоляции.

Так, выделяемая при разряде энергия тратится на работу по расширению канала разряда (до 20%), на потери нерезонансного излучения (до 15%), на теплоотвод (до 5 %) на и на ионизацию (до 3 %), а также более половины энергии разряда будет передаваться поверхностям включения или окружающему диэлектрику при бомбардировке её электронами и ионами.

Удар заряженных частиц о поверхность диэлектрика может привести к значительному локальному разогреву, разложению диэлектрика, особенно органического происхождения.

Также разряд порождает такие деградационные процессы в изоляции, так как быстропротекающий процесс расширения канала разряда вызывает ударную волну, которая вызывает разрушение поверхностного слоя диэлектриков и образование микротрещин в механически напряжённых участках изоляции [1]. Таким образом, происходит ухудшение основных свойств изоляции - снижается удельное объемное сопротивление и увеличивается диэлектрическая проницаемость, что приводит к пробою изоляции, коротким замыканиям в электротехнических устройствах и их выходу из строя.

Список литературы

1. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.

2. РД 34.45-51.300-97. Объём и нормы испытаний электрооборудования.

3. Чан Ки Фук. Расчёт распределения электрического поля в твёрдой высоковольтной изоляции, содержащей газовые включения // Элек-тричество.1995. №12.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, su-davny_a@mail.ru, Россия, Тула,Тульский государственный университет,

Судавный Андрей Сергеевич, аспирант, sudavny_a@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEFECTS IN INSULATION OF ELECTRICAL DEVICES, LEADING TO THE APPEARANCE OF PARTIAL DISCHARGES

V.M. Stepanov, A.S. Sudavny 390

Even minor defects in the insulation of electrical devices in the long term lead to accidents and equipment failure. This article describes the types of defects in the insulation of electrical devices, leading to the appearance of partial discharges. The development of defects and their consequences, physical processes occurring in them are described.

Key words: electrotechnical devices, partial discharges, diagnostics, gas-filled inclusions, electric field intensity

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, sudavny_a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sudavny Andrew Sergeevich, postgraduate, sudavny_a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.319

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ В ГРУНТЕ С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

С.Л. Шишигин, А.В. Черепанов, Д.С. Шишигин

Проводится расчет заземлителей при воздействии тока молнии с учетом частотной зависимости удельной проводимости и диэлектрической проницаемости земли. Приведены известные экспериментальные данные. Показано, что учет этих факторов существенно влияет на сопротивление заземлителя в высокоомном грунте на частотах тока молнии.Представлены результаты расчетов, полученные частотным методом в программном комплексе ZYM.

Ключевые слова: частотный метод, удельнаяпроводимость грунта, диэлектрическая проницаемость грунта, заземлитель, ток молнии.

При расчете заземлителей удельное сопротивление грунта принято считать постоянной величиной, не зависящей от частоты. В последнее время появилась серия зарубежных публикаций [1 - 4], где адекватность традиционной модели грунта поставлена под сомнение, поскольку экспериментально доказано, что сопротивление заземлителя в частотном диапазоне тока молнииснижается на 50% и более по сравнению с сопротивлением на низкой частоте.Очевидно, что результаты работ [1 - 4] требуют подробного изучения.

В земле содержится большое количество солей, кислот и влаги, которые создают электролиты. Электролиты и определяют электропроводность земли. Частотная зависимость удельной проводимости и диэлектрической проницаемости электролитов была открыта П. Дебаем, Х. Фалькенхагеном [5] еще в 1928 г. и уточнена K.S. Cole, R.H. Cole [6] в 1941 г. Обзор и анализ современного состояния экспериментальных исследований по определению частотных характеристик удельной

391