Электротехнические материалы: понятие, применение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I” Кафедра «Электротехника и теплоэнергетика» Е.Л. Рыжова Б1.О.33 «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» Конспект лекций для специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» по специализациям «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта» «Радиотехнические системы на железнодорожном транспорте» «Электроснабжение железных дорог» Форма обучения – очная, очно-заочная, заочная Санкт-Петербург 2021 Содержание 1. Цель и задачи дисциплины 2. Основные понятия, определения и задачи дисциплины 2.1 Задача дисциплины 2.2 Классификация ЭТМ 3. Проводниковые материалы. Классификация и основные характеристики 3.1 Классификация проводников 3.2 Сплавы металлов 3.3 Неметаллические проводники 4. Полупроводниковые материалы и их классификация 5. Диэлектрические материалы 6. Магнитные материалы 7. Проводниковые материалы 7.1 Электропроводность металлических проводниковых материалов 7.2 Металлы 7.3 Сплавы металлов 7.4 Сплавы металлов высокого сопротивления 7.5 Неметаллические проводники 8. Механические характеристики 8.1 Предел прочности материала при растяжении 8.2 Предел прочности материала на сжатие 8.3 Предел прочности при изгибе 8.4 Твёрдость материала 8.5 Истираемость 8.6 Гибкость 8.7 Пластичность 9. Магнитные материалы 9.1 Явление магнетизма 9.2 Классификация магнитных материалов 9.3 Магнитная проницаемость 10.Электроизоляционные материалы 10.1 Определение, назначение и классификация. Виды материалов 10.2 Газообразные диэлектрики 10.3 Жидкие диэлектрики 10.4 Твёрдые диэлектрики 11.Электрические характеристики электроизоляционных материалов 11.1 Электропроводность диэлектриков 11.2 Удельное объёмное сопротивление 11.3 Удельное поверхностное сопротивление 11.4 Электрическая прочность 5 6 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 12 14 15 17 18 18 18 19 20 20 21 21 22 22 23 24 28 28 32 32 34 35 35 36 36 37 2 12. Электрическая прочность и факторы, влияющие на неё 12.1 Влияние частоты источника питания 12.2 Влияние расстояния между электродами 12.3 Влияние неравномерности электрического поля 12.4 Влияние давления 12.5 Влияние полярности электродов 12.5 Влияние влажности 13. Пробой диэлектриков 13.1 Пробой газообразных диэлектриков 13.2 Пробой жидких диэлектриков 13.3 Пробой твёрдых диэлектриков 14. Разряд вдоль поверхности твёрдого диэлектрика 14.1 ЭИМ расположен в однородном электрическом поле 14.2 ЭИМ расположен в неоднородном электрическом поле 14.3 ЭИМ расположен в резко неоднородном электрическом поле 15. Тепловые свойства электроизоляционных материалов 15.1 Потери, связанные со сквозной проводимостью 15.2 Потери, обусловленные поляризацией, связаны с образованием и перемещением объемного заряда 15.3 Потери, обусловленные ионизацией 16. Старение электрической изоляции 16.1 Дугостойкость электроизоляционных материалов 17. Изоляторы и изоляция электрооборудования 17.1 Общая схема технологического процесса производства изоляторов 17.2 Механические и электрические характеристики изоляторов 17.3 Распределение напряжения по гирлянде изоляторов 18. Испытание изоляции 18.1 Цель и классификация профилактических испытаний 18.2 Контроль сопротивления изоляции 18.3 Контроль влажности изоляции 18.4 Метод, основанный на искажении формы кривой тока 18.5 Контроль тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) 18.6 Метод частичных разрядов 19. Испытание изоляции повышенным напряжением 19.1 Испытания повышенным переменным напряжением 19.2 Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением 19.3 Нормы на испытательные напряжения 20. Испытания жидких диэлектриков 20.1 Определение электрической прочности трансформаторного масла 20.2 Температура вспышки 20.3 Определение вязкости трансформаторного масла 38 38 38 38 39 40 41 42 42 45 46 47 49 50 50 54 54 55 55 58 63 64 66 68 69 71 71 74 76 79 81 83 86 86 88 90 91 92 94 95 3 21. Силовой электрический кабель 21.1 Типы и конструкции силовых электрических кабелей и проводов 21.2 Методы определения места повреждения изоляции кабелей 21.2.1 Петлевой метод 21.2.2. Импульсный метод 21.2.3. Метод колебательного разряда 21.2.4. Акустический метод 98 98 102 103 104 105 108 4 1. Цель и задачи дисциплины Целью изучения дисциплины “Материаловедение” является овладение студентами знаний в области применения электротехнических материалов, их эксплуатационных характеристик, способов контроля рабочих параметров. Для достижения поставленных целей решаются следующие задачи: - формирование у студентов знаний о свойствах и характеристиках электротехнических материалов, основных изоляционных конструкций, влияние на них рабочего напряжения и перенапряжений (атмосферных и коммутационных); - обучение студентов навыкам работы с испытательной и измерительной аппаратурой высокого напряжения, необходимой для эксплуатации и конструирования устройств автоматики и телемеханики. Перечень планируемых результатов по дисциплине, соотнесённых с планируемыми результатами освоения основной профессиональной образовательной программы ЗНАТЬ : - основные характеристики и свойства современных электротехнических материалов; - способы регулирования электрического поля в изоляционных конструкциях; - устройства защиты от перенапряжений воздействующих на цепи управления систем автоматики. УМЕТЬ : - грамотно оценивать работоспособность электрических цепей подвергшихся воздействию перенапряжений; - проводить комплекс профилактических мероприятий направленных на восстановление работоспособности электрического оборудования. ВЛАДЕТЬ : опытом выбора методов и средств для проведения профилактических испытаний устройств автоматики железнодорожного транспорта. Приобретенные знания, умения, навыки и/или опыт деятельности, характеризующие формирование компетенций, осваиваемые в данной дисциплине, позволяют решать профессиональные задачи, приведенные в соответствующем перечне по видам профессиональной деятельности в п. 2.4 общей характеристики основной профессиональной образовательной программы (ОПОП). Изучение дисциплины направлено на формирование следующих общепрофессиональных компетенций (ОПК): владением методами оценки свойств и способами подбора материалов (ОПК-11). 5 Область профессиональной деятельности обучающихся, освоивших данную дисциплину, приведена в п. 2.1 общей характеристики ОПОП. Объекты профессиональной деятельности обучающихся, освоивших данную дисциплину, приведены в п. 2.2 общей характеристики ОПОП 2. Основные понятия, определения и задачи дисциплины. Техника высоких напряжений и материаловедение играют важную роль при генерировании, передаче и распределении энергии. Они в принципе обеспечивает надежность передачи электроэнергии при высоком напряжении. В настоящее время в России наибольшее номинальное напряжение равно 750 кВ, а передаваемая мощность – нескольким мегаваттам. Общая протяженность сетей 3 кВ и выше составляет миллионы километров, а число распределительных устройств – сотни тысяч единиц. В связи с этим большое значение приобретают вопросы создания комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи и распределения электроэнергии: генераторов, трансформаторов, реакторов, кабелей, конденсаторов, коммутационной аппаратуры, изоляции линий, подстанций и др. Сейчас наша страна производит одну шестую мировой электроэнергии при численности населения около одной двадцатой населения Земли. При таких масштабах производства электроэнергии очень важной становится проблема энергосбережения. Такой гигантский объём электроэнергии выработанный на электростанциях, необходимо уберечь от потерь при транспортировке и преобразовании в другие виды энергии. Решить эту проблему помогают системы электрической изоляции, которые обеспечивают нормальную работу электроустановок, безопасность людей, а также предотвращают утечки и потери электроэнергии. В нашей стране ежегодно производится сложное электрооборудование на десятки миллиардов рублей. Например, современный электровоз содержит более 250 тыс. электротехнических изделий и компонентов, в том числе более 130 км. Проводов и кабелей; и их стоимость составляет 60 % стоимости электровоза. При работе электрооборудования на его изоляцию воздействуют различные факторы: высокая или низкая температура, высокое напряжение, вибрация, химические вещества и т. д. Воздействие всех этих факторов не должно приводить к преждевременному изоляции из строя так как это может привести к крупным авариям. Таким образом, надёжность, эффективность и экономичность работы электрооборудования во многом зависят от качества его изоляции. Чтобы успешно проектировать и эксплуатировать электротехнические установки, грамотно анализировать причины повреждения изоляции, нужно хорошо знать процессы происходящие в изоляции и методы измерения её основных параметров. Следует знать причины возникновения дефектов в изоляции и механизмы её старения. Это необходимо для объективного контроля состояния изоляции, оценки степени её старения и прогнозирования 6 оставшегося ресурса работы. Такая проблема становится особенно актуальной для оборудования, выработавшего свой срок или срок службы которого приближается к расчётному. Дисциплина «Материаловедение» изучает электротехнические материалы применяемые в электротехнических устройствах, их изготовление, способы обработки, электрические и механические характеристики, условия их эксплуатации и контроль параметров. 2.1 Задача дисциплины. Раскрыть физическую сущность явлений происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов - электрического напряжения – U; - атмосферных условий ( 𝑡 0 , давления ); - агрессивности среды; - тряски, вибрации; Изучить способы повышения электромеханических свойств электротехнических материалов (ЭТМ ), область применения и условия их эксплуатации. ЭТМ – материал применяемый в электротехнической промышленности; ЭТМ – материал обладающий специальными свойствами по отношению к электромагнитному полю (ЭМП); ЭМП – особый вид материи отличающийся непрерывным распространением в пространстве; обнаруживающий дискретность структуры (фотоны), характеризующийся способностью распространяться в пустоте (V = 3·108 м/с); оказывающий силовое воздействие на заряды находящиеся в нём. 2.2 Классификация ЭТМ ЭТМ делят на четыре группы: - проводниковые материалы применяемые в промышленности там, где используется их высокая удельная проводимость; - полупроводниковые материалы, занимающие (в соответствии с проводимостью) промежуточное положение между проводниками и электроизоляционными материалами; - диэлектрические материалы, основным свойством которых является способность к электрической поляризации и в которых возможно существование электрического поля; - магнитные материалы, способные намагничиваться при воздействии на них магнитного поля. При классификации ЭТМ сталкиваются два критерия: - область применения, - удельное электрическое сопротивление, решающим условием считают область применения, а критерием применимости электрический ток протекающий через ЭТМ. 7 Пример – сталь (электрическая машина) электротехнический материал – магнитопровод – для замыкания магнитного потока ; конструкционный материал – вал электрической машины – для передачи вращающего момента; - ферриты по значению удельного электрического сопротивления – полупроводники, а применяются как магнитные материалы; – алмаз, по значению удельного электрического сопротивления – диэлектрик, а применяется как полупроводник. 3. Проводниковые материалы. Классификация и основные характеристики. 3.1 Классификация проводников. Проводниковыми материалами называются материалы, применяемые в электротехнике там, где используется их высокая удельная проводимость. Удельное электрическое сопротивление проводников находится в диапазоне от 10-8 до 10-5 Ом.м. Проводниковые материалы классифицируют: - сверхпроводники: - криопроводники; - металлы; - сплавы металлов; - металлы высокого сопротивления; - электролиты; - полупроводники; К проводниковым материалам высокой проводимости относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых при нормальной температуре не превышает 0,05 .10-6 Ом.м. 3.2 Сплавы металлов. Сплавы металлов представляют собой сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь. Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты. По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), 8 трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других элементов. 3.3 Неметаллические проводники. К проводниковым материалам высокого сопротивления относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых при нормальной температуре не менее 0,3 .10-6 Ом.м. К особой группе проводниковых материалов относят неметаллические проводники. В качестве проводников электрического тока используют твердые материалы, жидкие и газообразные. Жидкими проводниками являются расплавленные металлы и электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких значениях напряженности электрического поля не являются проводниками. 4. Полупроводниковые материалы и их классификация Точного определения полупроводникового материала не существует. В общем случае так называют вещества, которые с точки зрения электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниковыми и электроизоляционными материалами. Удельное электрическое сопротивление их составляет от 10-6 до 108 Ом.м. Указанное значение удельного сопротивления относится к нормальным условиям. При повышенных температурах сопротивление его уменьшается так, что по данному признаку его можно отнести к проводникам, а при низких температурах его удельное сопротивление сравнимо с сопротивлением электроизоляционных материалов. Полупроводниковые материалы классифицируют по химическому составу, типу электропроводности и по структуре. По химическому составу проводниковые материалы подразделяются на простые и сложные. По типу электропроводности – на полупроводники с электронной и дырочной проводимостями. По структуре различают кристаллические и аморфные полупроводники. 5. Диэлектрические материалы Диэлектрические материалы – материалы, основным электрическим свойством которых является способность к электрической поляризации и в которых возможно существование электрического поля. В инженерной практике термины диэлектрический материал и электроизоляционный материал воспринимаются как синонимы, хотя это не одно и то же. Понятие диэлектрический материал шире, чем электроизоляционный. Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, применяемый для устранения утечки электрических зарядов. Диэлектрики, используемые в качестве электроизоляционных материалов, называются пассивными. Активные диэлектрики могут выполнять не только пассивную роль, т.е. выполнять функции электрической изоляции, но и изменять параметры этих материалов под действием различных факторов. К 9 активным диэлектрикам относятся: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты. Электроизоляционные материалы по агрегатному состоянию подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Особую группу составляют твердеющие материалы, которые при использовании находятся в жидком состоянии, а при высыхании становятся твердыми веществами. По химическому составу электроизоляционные материалы подразделяются на органические и неорганические. Отдельную группу составляют элементоорганические материалы. Органические материалы представляют собою соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и некоторыми другими элементами. Органические материалы обладают меньшей нагревостойкостью по сравнению с неорганическими. Электроизоляционные материалы также подразделяются на полярные и неполярные. Полярные ЭИМ – это материалы, молекулы которых имеют постоянный электрический момент. Неполярные ЭИМ – это материалы, молекулы которых приобретают индуктированный электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля. Это разделение важно при оценке электрических свойств и гигроскопичности материалов. 6. Магнитные материалы. Магнитными материалами называются вещества, способные намагничиваться при воздействии на них магнитного поля. По способности намагничиваться они подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные. К сильномагнитным материалам относятся ферромагнетики и ферримагнетики. К слабомагнитным – диамагнетики и парамагнетики. Ферромагнитные материалы условно делятся на магнитотвердые и магнитомягкие материалы. 7. Проводниковые материалы 7.1. Электропроводность металлических проводниковых материалов. В технике металлами называют все металлические материалы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы - сплавы. Простые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. Например, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, висмута, сурьмы, железа и других элементов. Металлические проводниковые материалы - это материалы, в которых электрическое поле может поддерживать направленное движение электрических зарядов, т.е. электрический ток. i= dq , dt I= Q ; t При постоянном токе 10 Основным законом, устанавливающим это количественное взаимодействие, является закон Ома: δ =γ ⋅E , где δ - плотность тока; γ - удельная проводимость; Е - напряженность электрического поля. Универсальный закон Ома - именно так он был сформулирован автором. δ = U l U I I U или I = ; E = ;→ = R S RS l a S γ = 1 ρ ;ρ = l RS →R= ρ . S l Проводники можно определить и так - это материалы с высокой удельной проводимостью γ. γ - параметр материала, который характеризует способность проводить электрический ток. На практике чаще используется величина, обратная γ - ρ. 1 ρ = ; Ом ⋅ м. γ Удельная проводимость различных материалов изменяется в очень широких пределах от 10-20 до 1020 1/Ом × м. Удельное электрическое сопротивление проводников чаще находится в диапазоне от 10-8 до 10-5 Ом × м. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ металлических проводниковых материалов определяется движением свободных электронов в кристаллической решетке под действием внешнего электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля электроны совершают хаотическое движение - тепловое. При воздействии внешнего электрического поля электроны получают дополнительную составляющую скорости против напряженности, которая накладывается на скорость теплового движения электронов, и, именно эта, дополнительная скорость (скорость переноса ϑср = I ; nеS вызывает появление электрического тока. где n - концентрация свободных электронов в металле; S - поперечное сечение проводника, м2. Например, если по медному проводнику, S = 100 мм2 протекает I = 1000 A, то ϑ ср= 0,6 мм/с. При движении электронов под действием сил внешнего электрического поля на их пути возникают препятствия в виде положительно заряженных ионов. В результате электроны отдают часть своей кинетической энергии которая превращается в тепловую, т.е. эти препятствия являются физической причиной существования электрического сопротивления, возникают Джоулевы потери, которые зависят от сопротивления проводника. Удельное электрическое сопротивление растет с увеличением температуры в соответствии с формулой немецкого физика Маттисена (1862 г.) 11 ρ = ρ0+ ρt , где ρ0 - составляющая ρ, не зависящая от температуры материала, а пропорциональная концентрации примесей. ρ t- составляющая ρ, зависящая только от температуры. ρ = ρ0[1+α(t-t0)] 7.2. Металлы Основные требования к металлам: • Большая удельная электрическая проводимость; • Большой коэффициент теплопроводности; • Высокие механические свойства; • Должны хорошо обрабатываться - легко и надежно паяться и свариваться; • Должны быть дешевыми и доступными на отечественном рынке. Этим требованиям в настоящее время лучше всего удовлетворяют чистые медь, алюминий и их сплавы. МЕДЬ - металл красного цвета. Ее добывают из медных руд на Урале. ρ Сu. = 8900 кг/м3; t ПЛ = 1083 0С; α = 0,0043 1/0С ; σР = 40 кгс/мм2 ; ρ = 0,0172 .10-6 Ом×м. Преимущества меди по сравнению с другими металлами: 1. Высокая электропроводность, т.е. малое удельное электрическое сопротивление. Из всех известных материалов меньшим сопротивлением обладает только серебро, но его широкое применение ограничено из-за высокой стоимости. 2. Сравнительно мягкий и тягучий материал. Поэтому из нее можно изготавливать прокатом или протяжкой проволоку, ленту, листы и шины различных размеров. 3. Имеет высокую стойкость к коррозии. 4. Обладает высокой механической прочностью (особенно твердотянутая σР=40 кгс/мм2). 5. Легко переходит из твердого состояния в мягкое. СЕРЕБРО относится к группе благородных металлов, не окисляющееся при температуре до 200 0С. Оно пластично и обладает наивысшей проводимостью. Основные характеристики серебра: ρ = 10500 кг/м3 ; σ Р= 15-18 кгс/мм2 (меньше, чем у меди), ρЭЛ = 0,015 .10-6 Ом .м ; tПЛ = 960 0С ; αρ = 0,0037 1/ 0С. Оно находит ограниченное применение, и, в основном, в сплавах с медью, никелем, кадмием для изготовления контактов реле и др. приборов на небольшие токи. АЛЮМИНИЙ - самый распространенный металл в земной коре, но получение его в чистом виде требует сложных электрохимических процессов и значительного расхода электроэнергии. Алюминий - металл серебристо-белого цвета. 12 ρ = 2700 кг/м3 , т.е. в 3,5 раза легче меди, tПЛ = 657 0С ; σР = 9 кгс/мм2 , ρЭЛ = 0,029 .10-6 Ом .м , т.е. в 1,65 раза хуже, чем у меди, αАl = αCu = 0,004 1/ 0С. Алюминий, как и медь, может быть твердым, а после отжига- мягким. Твердая алюминиевая проволока обозначается АТ, мягкая - АМ. Из алюминия изготовляют провода ЛЭП, шины РУ, токоведущие жилы кабелей. Достоинства: • Самый распространенный материал. • Дешевле меди. • Провода из алюминия вдвое легче медных. • Не окисляется (кроме поверхностного слоя). Недостатки: • Удельное электрическое сопротивление алюминия больше удельного электрического сопротивления меди. • Подвержен электролитической коррозии (например, при соединении меди с алюминием). • Обладает меньшей механической прочностью. • Труднее, чем медь, паяется. СТАЛЬ. Железо является наиболее дешевым металлом и, поэтому, наиболее распространенным в технике. Так как чистое железо трудно получить, то большее распространение получили стали. Сталь - это железо с примесью углерода. Стали с малым содержанием углерода называют мягкими (на практике называют просто железом), а стали с повышенным содержанием углерода называют твердыми. Отожженная сталь сравнительно мягка, легко изгибается и вытягивается. Закаленная сталь очень прочна (σР=70 кгс/мм2) и тверда. В качестве проводникового материала может использоваться мягкая сталь, хотя удельное электрическое сопротивление её в 6-7 раз больше, чем у меди. Такую сталь используют в линиях электропередач небольшой мощности, так как при малых токах сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью (σР = 150 кгс/мм2). Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии и, особенно, в условиях повышенной влажности быстро ржавеет, а при увеличении температуры скорость коррозии ещё возрастает. Для защиты от коррозии сталь оцинковывают и для контроля покрытия провод пропускают через 20% раствор медного купороса. Наиболее распространенными материалами для изготовления проводников и токопроводящих элементов являются медь и алюминий. В настоящее время медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, расходование ее ведется экономно, а часто при возможности ее заменяют другими проводниковыми материалами. К тому же, прекрасный проводящий материал - медь, имеет и недостатки: слабое сопротивление истиранию, подверженность к усталости, ползучесть. Легкий проводниковый 13 материал алюминий, наряду с достоинствами, также имеет недостатки: низкая механическая прочность на разрыв, повышенная мягкость, а, поскольку по отношению к большинству металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал, то, находясь в контакте с ними, образует гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию электрохимической коррозии. Указанных недостатков лишены сплавы. 7.3. Сплавы металлов Сплавы — это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь — сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь. Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты. По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других элементов ЛАТУНЬ - сплав меди с цинком (10-45%). Латунь обладает повышенной пластичностью, хорошо поддается механической обработке, по химической стойкости превосходит медь, предел прочности на растяжение в два раза выше по сравнению с медью и дешевле меди. Из нее изготавливаются различные детали электроаппаратуры: планки, цоколи ламп накаливания, кольца, контакты электрических аппаратов и приборов. Марки латуней обозначаются буквой Л, за которой стоят буквы и цифры, указывающие содержание меди и других компонентов. Следует отметить, что штампованная латунь во влажной атмосфере подвержена коррозии. Для повышения коррозионной стойкости в нее вводят легирующие элементы: алюминий, никель, марганец. БРОНЗА - сплав на основе меди с содержанием легирующих элементов: олова, алюминия, кадмия, фосфора, бериллия, никеля. Основными достоинствами бронз являются повышенная твердость, большое сопротивление истиранию, упругость, антикоррозионная стойкость. Поэтому они используются для изготовления троллейных проводов, коллекторных пластин двигателей, для различных скользящих контактов у потенциометров и реостатов, для изготовления токопроводящих пружин, щеткодержателей у электрических машин. Характерной особенностью оловянистых бронз является малая усадка при литье. Поэтому из них могут изготавливаться детали, наиболее сложные по форме. Марки бронз обозначаются буквами Бр, за которыми следуют другие буквы и цифры, показывающие, какие легирующие 14 элементы содержатся в данном сплаве и в каком количестве. Электропроводность бронз уступает меди. МАНГАНИН - сплав меди, марганца (12%), никеля (2,5-3,5%) красновато - желтого цвета. Важным свойством этого сплава является небольшая термоЭДС при контакте с медью. Это обуславливает почти полное отсутствие термотоков. Кроме этого его сопротивление очень стабильно в широком интервале температур от -100 до +1000С. Удельное электрическое сопротивление ρ = 0,45.10-6 Ом.м, температурный коэффициент сопротивления α = 10.10-6 1/ 0C. Благодаря малому, практически равному нулю, температурному коэффициенту сопротивления, манганин применяется в электроизмерительных приборах самого высокого класса точности, для изготовления шунтов, постоянных резисторов и потенциометров. Он идет и на изготовление обмоточных проводов, особенно на изготовление проволоки очень малого диаметра (до 0,02 мм) с учетом его большой пластичности. КОНСТАНТАН - сплав меди, никеля (40%) и марганца (1,5%) серебристо - белого цвета. Важным свойством этого сплава является значительная термо-ЭДС в контакте с медью и железом. Поэтому из него изготавливаются термопары, рассчитанные на измерение температур до 7000С.Удельное электрическое сопротивление константана ρ≅0,5 10-6 Ом.м, α = 10 .10-6 1/ 0C, а предельная рабочая температура равна 500 0С. Поэтому он используется для изготовления реостатов и нагревательных элементов. Высокие механические свойства (δР = 40-70 кгс/мм2), сочетающиеся с пластичностью, позволяют из этого сплава изготавливать тонкую проволоку (до 0,02мм), ленты, полосы и фольгу. Сплавы на основе алюминия отличаются легкостью и повышенной механической прочностью по сравнению с чистым алюминием. В марках алюминиевых сплавов применяются условные обозначения: А- алюминий, М- медь, МГ- магний, МЦ - марганец, К - кремний, Ц - цинк, FE - железо; цифры указывают среднее процентное содержание. АЛЬДЕРЕЙ - сплав алюминия с легирующими элементами марганца (0,4%), кремния (0,4-0,7%) и железа (0,2-0,3%). Удельное электрическое сопротивление ρ = 0,0317.10-6 Ом.м. Обладает высокими механическими свойствами, приближаясь к твердотянутой меди и сохраняя при этом легкость алюминия (2700 кг/м3). Высокие механические свойства альдерей приобретает после особой обработки - закалки в воде при температуре 550 0С, волочению и последующей выдержки при температуре в 150 0С. 7.4. Сплавы металлов высокого сопротивления. НИХРОМ - жаростойкий сплав высокого сопротивления с содержанием: никеля (60%), хрома (17%) и железа (23%). Жаростойкость этого сплава, то есть неокисляемость его при высокой температуре, обусловлена оксидной пленкой, которая исключает доступ кислорода к поверхности сплава. Допустимая рабочая температура 1000 0С, поэтому он применяется в электронагревательных элементах, реостатах и резисторах. 15 Температурные коэффициенты никеля и хрома близки, но не равны. Поэтому при частых и резких изменениях температуры окисленного нихрома слои окислов растрескиваются и нагревательный элемент из нихрома может перегореть быстрее, чем в случае непрерывного и длительного режима работы. ФЕХРАЛЬ и ХРОМАЛЬ - сплавы того же назначения, что и нихромы. Отличаются только тем, что дорогостоящий и дефицитный никель заменяется железом. ФЕХРАЛЬ: хром (12-15%), алюминий (3-5%), железо (80-85%). ХРОМАЛЬ: хром (23-27%), алюминий (4,5-6,5%), железо (66,7-72,5%). Предельно допустимые рабочие температуры у фехрали - 950 0С, у хромаля - 1250 0С. Сплавы на основе железа уступают нихромам в технологичности, так как они более хрупки и тверды, поэтому из них не изготовить тонкую проволоку. Для более длительного срока службы нагревательных элементов проволочные спирали из данных сплавов помещают в металлическую трубку, заполненную инертным сыпучим материалом кварцевым песком. ВОЛЬФРАМ - чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Плотность 19300 кг/м3; удельное электрическое сопротивление 0,055.10-6 Ом.м; температура плавления 3380 0С. Вольфрам является одним из важнейших материалов электровакуумной техники. Он используется для изготовления нитей накала в осветительных лампах (впервые предложил русский изобретатель А.Н. Лодыгин в 1890 году). Применяется для изготовления катодов прямого накала в мощных генераторных лампах, в рентгеновских трубках. Из вольфрама изготавливаются электроды для аргоно - дуговой сварки, высокотемпературные термопары. Механические свойства вольфрама создают значительные трудности при изготовлении из него деталей, так как он почти не подвержен станочной обработке. Его твердость во много раз выше твердости других проводниковых материалов. Вольфрамовые изделия хрупки и легко ломаются. Предел прочности вольфрамовой проволоки толщиной 5 мм составляет 50-60 кгс/мм2, а для тонких нитей она возрастает до 300-400 кгс/мм2. МОЛИБДЕН - металл по свойствам и внешнему виду подобен вольфраму. Уступает вольфраму по твердости, температуре плавления, но превосходит по пластичности. Молибден широко применяется в электровакуумной технике, для изготовления проволочных держателей вольфрамовых нитей накала, спиральных пружин с температурой до 500 0С. В паре с вольфрамом молибден применяется для изготовления высокотемпературных (до 2000 С) термопар в неокисляющей среде. НИКЕЛЬ - ковкий металл серебристо - белого цвета. Наибольшее применение нашёл как металл для гальванических декоративных и антикоррозионных покрытий и, кроме того, как компонент в составе магнитных, проводниковых сплавов и легированных сталей. ЦИНК - ковкий металл светло - серого цвета. При нормальной температуре цинк пластичен, при 200 0С становится хрупким, а при 500 0С сгорает. Обладает малой механической прочностью и большим удельным 16 электрическим сопротивлением. Применяется для антикоррозионного покрытия стали. СВИНЕЦ - мягкий тяжелый металл серого цвета. Обладает высокой антикоррозионной стойкостью, устойчив к действию серной и соляной кислот, воды. Используется для изготовления защитных оболочек электрических кабелей, пластин аккумуляторов и плавких вставок предохранителей. ОЛОВО - мягкий металл серебристо - белого цвета. Применяется для изготовления тонкой конденсаторной фольги, для лужения токопроводящих частей, а иногда и крепёжных изделий. Олово широко используется для приготовления припоев, изготовления баббитов и оловянных бронз. 7.5. Неметаллические проводники. Из твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее применение получили электроугольные изделия. Электроугольные материалы изготавливают методами порошковой технологии. Предварительно, с целью удаления летучих веществ, углеродистые материалы прокаливают при температуре 1200 - 1300 0С, затем измельчают до порошкообразного состояния и смешивают друг с другом. В смесь порошкообразных материалов, нагретых до 80 - 150 0С, добавляют связующие вещества и после остывания их размалывают и просеивают. В результате получается пресс-порошок из которого и изготавливают в стальных разъемных пресс-формах различные электроугольные изделия. Они используются для изготовления контактных деталей и электрических щеток для электрооборудования электропоездов, электровозов, троллейбусов и трамваев. Название «щетки» сложилось исторически. До 1890 года в коллекторных электрических машинах применялись металлические щетки из тонких медных проволочек. В дальнейшем, для получения скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрических машин, стали применять электротехнический уголь, а название « щетки » так и сохранилось. Для придания необходимой формы и чистоты поверхности электрические щетки подвергают механической обработке. Некоторые типы электрощеток после механической обработки покрывают тонким слоем меди для обеспечения надежного электрического контакта между электрощеткой и щеткодержателем в электрической машине. Различают четыре основные группы электрощеток: графитные, угольно-графитные, металлографитные и электрографитированные. Графитные щетки ( Г ) изготавливают из натурального графита. Они мягки и не вызывают шума при работе с окружной скоростью до 25 м/с. Их удельное электрическое сопротивление составляет ( 8 - 50 ) 10-6 Ом м, допускают плотность тока до 11 А/мм2. Угольно-графитные щетки ( Т и УГ ) изготавливают из графита, сажи, кокса и связующих смол. Они обладают повышенной механической прочностью, твердостью и могут применяться при окружной скорости до 30 м/с. Их удельное электрическое сопротивление составляет (18 - 60).10-6 Ом. м, 17 допускают плотность тока до 8 А/мм2. Угольно-графитные щетки способны очищать окисные пленки на коллекторах машин за счет своей абразивности. Металлографитные щетки ( М и МГ ) изготавливают из порошка графита и меди. При добавке порошка свинца или олова маркируют как МГС. Они обладают малым удельным электрическим сопротивлением - ( 0,04 - 0,3 ).10-6 Ом.м, допускают плотность тока в 20 А/мм2 и окружную скорость до 40 м/с. Электрографитированные щетки ( ЭГ ) изготавливают из графита, сажи и связующих смол. Процесс графитизации происходит после прессования и обжига в электрических печах при температуре 2500 0 С. В этих условиях углерод материала переходит в графит, а обогащение графитом приводит к повышению механической прочности, к уменьшению удельного электрического сопротивления и снижению абразивных свойств. Удельное электрическое сопротивление их составляет ( 10 - 75 ).10-6 Ом.м, допустимая плотность тока - 15 А/мм2 , окружная скорость до 90 м/с. Такие электрографитированные щетки нашли самое широкое распространение в электротехнике. Они применяются в электрических машинах средней и большой мощности, в машинах с тяжелыми динамическими нагрузками и с тяжелыми условиями коммутации тока. 8. Механические характеристики материалов. Механические свойства материалов определяют их количественные параметры реакции на внешние возмущения, действующие на объект. Механические и электрические испытания проводятся с целью определения разрушающих механических деформаций и электрических параметров материалов. К механическим характеристикам материалов относятся:  предел прочности на разрыв;  предел прочности на сжатие;  предел прочности на изгиб;  относительное удлинение материала;  твердость материала;  истираемость;  гибкость;  пластичность. 8.1 Предел прочности материала при растяжении (σр ) – способность сопротивляться воздействию нагрузки не разрушаясь, он определяется выражением: σр = Fр S ; Н , Па, м2 Fр - растягивающее разрушающее усилие; S - площадь поперечного сечения у испытуемого образца до приложения нагрузки. где 18 8.2. Предел прочности материала при сжатии (σсж ) вычисляется по формуле: σ сж = Fсж ; S H , Па, м2 где F cж - сжимающее разрушающее усилие. При испытании на сжатие высота образца не должна быть большой по сравнению с его поперечными размерами во избежание продольного изгиба. Обычно образцы берут в виде куба или цилиндра высотою, равной его диаметру. 8.3 Предел прочности при изгибе определяют для бруска прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, рис. 1. Рис. 1. Схема испытания прочности материала на изгиб. Fиз σиз = 1,5 L; bh 2 . где Fиз – разрушающая нагрузка при статическом изгибе, Н; L - длина пролета между опорами, м; b - ширина испытуемого бруска, м; h - высота бруска, м. Испытание на статический изгиб производят на разрывных машинах и прессах, которые применяют и при определении прочности на разрыв и сжатие. Образцы материалов могут быть различной формы и размеров. Относительное удлинение материалов (λ) с одинаковым по всей длине поперечным сечением рассчитывается по формуле: λ = ∆l / l . 100, %, где l - длина образца между зажимами разрывной машины до приложения нагрузки; ∆l - удлинение образца в момент, предшествующий разрыву. 19 8.4 Твердость материала способность его поверхностного слоя противостоять деформации от динамического или статического сжимающих усилий. Твердость испытуемых материалов можно определить различными способами: методом вдавливания, методом маятника и методом падающего шарика. Метод вдавливания шарика или метод Бринелля заключается в том, что в испытуемый материал вдавливается стальной шарик диаметром D = 5 мм с помощью специального пресса, рис.2. Нагрузка F плавно увеличивается до определённого значения, в течение времени, в соответствии с ГОСТом 4670-77, поддерживается постоянной. После снятия нагрузки измеряют диаметр образовавшейся лунки - d на поверхности испытуемого материала и глубину внедрения шарика - h, а затем рассчитывают твердость по формуле: 10 F , МПа, πdh где F - H; d – мм; h - мм. Hb = Рис. 2. Схема к определению твёрдости материала. Метод маятника или метод Кузнецова применяется там, где невозможно использовать метод вдавливания шарика, например для хрупких материалов, лаковых пленок, слюды. Метод падающего шарика или способ Шора применяется для испытания только хрупких материалов. Стальной шарик, падая с высоты и ударяясь о поверхность испытуемого материала, подскакивает. Высота подскока и характеризует твердость материала. 8.5 Истираемость это способность материала противостоять механическому износу от действия сил трения. Для определения истираемости изоляции проводов используется прибор скребкового типа, принципиальная схема которого показана на рисунке 3. Прибор состоит из электродвигателя Д с редуктором, который вращает провод, укрепленный эксцентрично оси. При этом скребок, представляющий собою стальную иглу и набор грузиков, процарапывает электрическую изоляцию провода. При полной истираемости изоляции металлическая игла коснется самого металлического проводника и цепь реле Р замкнется. Реле, сработав, замыкает свой контакт Р1 и размыкает Р2. Замыкание контакта Р1 и загорание лампы сигнализирует об окончании испытания. По счетчику можно определить число двойных ходов иглы до момента истирания. Оно должно 20 быть не ниже значения, указанного в ТУ. При размыкании контакта Р2 двигатель остановится. Рис. 3. Схема к определению истираемости проводов. 8.6 Гибкость это способность материала выдерживать знакопеременные изгибающие нагрузки. Гибкость определяется числом перегибов материала, натянутого с определенной силой ( 0,1 Н ), до разрушения. Технология испытания на гибкость такова: испытуемый материал заправляется в фальцовочную машину, концы материала крепят в зажимах, растянутых с помощью пружин и придают прямолинейное возвратнопоступательное движение, перегибая материал то в одну, то в другую стороны. Постепенно испытуемый материал теряет свою механическую прочность и обрывается под действием растягивающего усилия пружин. Мерой гибкости является число двойных перегибов, вызывающих разрушение материала. Число двойных перегибов отмечается счетчиком. 8.7 Пластичность определяется деформацией мягкого материала без его разрушения. Пластичность измеряется пенетрометром, работа которого основана на связи между глубиной проникновения в тело иглы с притупленным концом под действием силы и времени ее воздействия. Пластичность многих материалов сильно зависит от температуры и возрастает с ее увеличением. К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов относят: удельное электрическое сопротивление или обратную ему, удельную электрическую проводимость. Различают: омическое, активное, индуктивное и емкостное сопротивления. Омическое сопротивление - это сопротивление материала постоянному току. Индуктивное сопротивление проявляет себя только в нестационарных условиях, т.е. при включении, отключении или резком изменении тока. Емкостное сопротивление тоже проявляет себя только в переходном режиме. При включении электрической цепи ток протекает, пока не зарядится конденсатор до величины приложенного напряжения, а при отключении, пока не разрядится конденсатор. Совершенно иначе обстоит дело в электрических цепях переменного тока. Благодаря непрерывному изменению переменного тока по величине и по направлению индуктивность и емкость проявляют себя и в установившемся режиме, и в переходном. Один и тот же провод или резистор в цепи 21 переменного тока обладает сопротивлением, большим значения омического. Физическая причина этого явления заключается в следующем: при протекании переменного тока по проводнику в пространстве, окружающем проводник, и внутри самого проводника возникает магнитное поле. Если при постоянном токе оно неизменно, то при переменном оно постоянно изменяется с частотой f. Магнитные линии поля в виде концентрических окружностей распределены как внутри проводника, так и вокруг него. Чем ближе они к проводнику, тем большее потокосцепление и, следовательно, индуктивность, а, поэтому индуктивное сопротивление XL = ω.L возрастает, что приводит к неравенству активного и омического сопротивлений. При этом, большее сопротивление будет у внутренних нитей, а меньшее - у наружных. Это приводит к неравенству распределения тока по сечению проводника, т.е. к вытеснению тока к его поверхности. Такое явление получило название поверхностного эффекта. Явление поверхностного эффекта особенно сказывается в проводниках из ферромагнитных материалов. 9 Магнитные материалы. 9.1 Явление магнетизма Магнитными материалами называются материалы, которые под действием магнитного поля способны намагничиваться. Трудно найти человека, которого в детстве не поражали удивительные свойства магнита. Прямо через пустоту на значительном расстоянии магнит способен притягивать к себе железо. Магниты способны как притягиваться, так и отталкиваться, подобно электрическим зарядам. Но, что странно!? Отделить северный магнитный полюс от южного, т.е. получить изолированный магнитный полюс никому не удалось, а сила притяжения магнитов значительно больше силы притяжения наэлектризованных тел. Количественное взаимодействие магнитов изучил Кулон. Опыты Кулона привели к открытию закона, поразительно напоминающего закон тяготения: сила взаимодействия неподвижных заряженных тел пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Решить задачу магнетизма удалось Амперу. Ампер сделал вывод, что магнитные свойства тела можно объяснить с помощью электрического тока, циркулирующего внутри тела и, магнитное взаимодействие - это взаимодействие токов. Такими круговыми токами являются: электронные спины – вращение электронов вокруг собственных осей и орбитальное вращение электронов в атомах. Основы строения атома сейчас стали азбучной истиной. В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг движутся электроны. Причем между отдельными элементарными частицами действуют огромные силы, несоизмеримо больше гравитационных. Атом мал и крайне пуст, если не учитывать заполняющего его электрического поля. Часто говорят, а раньше в этом твердо были уверены, что электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, подобным орбитам планет солнечной системы. 22 Но, на самом деле, движение электронов в атоме ничего общего не имеет с движением планет по орбитам. Электроны в атомах располагаются слоями. Число вакантных мест в каждом слое строго ограничено. В ближайшем к ядру их может быть только 2, в следующем слое – 8 и т.д. Чем дальше, тем большее количество, но все же ограниченно. Увеличение числа электронов в атоме и образование новых слоев не сопровождается расширением атома, происходит сжатие слоев. Магнетизм связан с образованием внутри материала магнитных доменов, где электронные спины ориентированы параллельно друг другу и одинаково направлены, т.е. существует самопроизвольная, спонтанная намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля сводится: 1 – к росту тех доменов, магнитные моменты которых имеют меньший угол в направлении действия внешнего поля и к уменьшению тех доменов, которые имеют больший угол. 2 – к процессу ориентаций – происходит поворот магнитных моментов в направлении действия внешнего поля до насыщения. Рис.4 Ориентация спинов Схема ориентации спинов показана на рисунке 4. Схема ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнитного материала 1 – внешнее поле отсутствует; 2 – слабое магнитное поле; 3 – сильное поле; 4 – насыщение. 9.2 Классификация магнитных материалов В соответствии с поведением в магнитном поле все магнитные материалы подразделяются на: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные. Диамагнитные материалы состоят из атомов, в которых все магнитные моменты (орбитальные и спиновые) скомпенсированы. Их относительная магнитная проницаемость – μ меньше единицы. К диамагнитным материалам относятся большинство органических материалов: вода, некоторые металлы: медь, золото, цинк, свинец, серебро, ртуть, бериллий, селен, германий, кремний, бор и все инертные газы. Парамагнитные материалы отличаются от диамагнитных тем, что их атомы имеют магнитные моменты, но они неупорядочены, если на материал не действует внешнее магнитное поле. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются по направлению действия поля и 23 усиливают его. То есть во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются, а при отсутствии внешнего магнитного поля они проявляют себя как немагнитные материалы. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков всегда несколько больше единицы. К парамагнитным материалам относятся кислород и некоторые металлы – алюминий, вольфрам, платина, молибден, натрий, хром. Ферромагнитными материалами называются материалы с не скомпенсированными спиновыми моментами атомов и параллельной ориентацией моментов в определенных областях - доменах. В доменах материал намагничен до насыщения благодаря только взаимодействию отдельных атомов. При действии внешнего магнитного поля ферромагнетики легко намагничиваются и с исчезновением внешнего поля намагниченность сохраняется. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков больше единицы и может достигать значений 106. Она сильно зависит от температуры и напряженности магнитного поля. К ферромагнитным материалам относятся железо, кобальт, никель, их сплавы и некоторые соединения ферромагнитных материалов с редкоземельными элементами. Важными магнитными характеристиками являются: относительная магнитная проницаемость – μ, магнитная индукция – В, остаточная магнитная индукция – Вr, коэрцитивная сила – Нс и удельная объемная энергия – W. 9.3 Магнитная проницаемость Магнитная проницаемость – безразмерная величина, характеризующая способность материала к намагничиванию. Относительная магнитная проницаемость определяется выражением: µ= где В , µ0 ⋅ Н В – магнитная индукция, Тл; μ0 – магнитная постоянная, равная 4 π .10-7 , Гн/м, (абсолютная проницаемость вакуума); Н – напряженность магнитного поля, А/м. Характерная зависимость µ = f (Н) изображена на рисунке 1.1. Чем выше значения начальной магнитной проницаемости – μн и максимальной – μмакс, тем легче намагничивается материал. Магнитными свойствами материалы обладают до определенной критической температуры, называемой точкой Кюри. При нагреве магнитного материала сверх этой температуры они переходят в парамагнитное состояние 24 Рис. 5 Характерная зависимость µ = f (H ) . Рис. 6 Зависимость B = f (H ) . Обусловлено это дезориентацией доменов из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул магнитного вещества. Процесс намагничивания материала характеризуется кривой намагничивания В = f (Н), рис.6, а принципиальная схема приведена на рисунке 7. Рис. 7 Принципиальная схема исследования магнитного материала На исследуемый кольцевой образец ИО равномерно намотаны две обмотки: первая – намагничивающая с числом витков W1, вторая – измерительная с числом витков W2, с которой небольшое падение напряжения подается на вход Х осциллографа. Напряженность магнитного поля l - средняя длина магнитной рассчитывается по формуле: Н = W1 ⋅ I м , где l силовой линии в ИО, Iм = Uм . Во вторичную обмотку включены резистор и R конденсатор и падение напряжение - ∆U c подается на вход У осциллографа. e 2 = − L2 di2 dB = −W2 S , dt dt где S – сечение испытуемого материала. Знак минус в формуле отражает лишь физическую сущность явления. Для вторичной цепи составим уравнение по второму закону Кирхгофа: di dB 1 = R2 i2 + L 2 + ∫ i2 dt , -W2S dt dt C dB W2 S ≅ Ri2 , так как величина R большая, а L мала, то, примерно dt W2 S dB WS 1 ; ⋅ u c = ∫ i2 dt ≅ 2 ⋅ B . следовательно i2 ≅ R dt C RC 25 Отсюда Bм = U м RC . W2 S На экране осциллографа вырисовывается петля гистерезиса, показанная на рис. 8. Магнитная индукция насыщения – ВS характеризует магнитное насыщение материала. Она определяется как значение магнитной индукции, после которого при увеличении напряженности магнитного поля в два раза индукция возрастает не более чем на 5%. Чем больше ВS, тем выше свойства магнитного материала. Рис. 8. Гистерезисная петля. Остаточная магнитная индукция – Вr – это индукция при напряженности магнитного поля, равной нулю, после намагничивания материала до насыщения. Для размагничивания образца материала необходимо изменить направление магнитного поля (Н) на противоположное. Напряженность поля – Нс, при которой индукция станет равной нулю, называется коэрцитивной силой. Если после этого магнитный материал намагничивать далее в противоположном направлении, то материал снова намагнитится до насыщения (-Вs), рис. 1.4. При уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и новом намагничивании в противоположном (первоначальному) направлении, магнитная индукция будет расти до индукции насыщения. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или иначе, петлей гистерезиса. Выделим левую верхнюю часть петли гистерезиса и изобразим ее на рисунке 1.5, а в правой части, в первом квадранте, отложим значения, равные половине произведения магнитной индукции на соответствующую ей напряженность магнитного поля. В результате получим кривую удельной 26 объемной энергии – Wм, создаваемой постоянным магнитом в воздушном зазоре в Дж/м3. Wм = В1 ⋅ Н 1 , 2 где В1 – магнитная индукция, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии; Н1 – напряженность магнитного поля, соответствующая максимальному значению удельной объемной энергии. По поведению в магнитном поле магнитные материалы подразделяют на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитными проницаемостями и малой коэрцитивной силой. Они легко перемагничиваются Рис. 9. Кривые размагничивания материала и магнитной энергии характеризуются узкой гистерезисной петлей и малыми потерями на гистерезис. Из магнитномягких материалов изготавливают сердечники трансформаторов, электрических машин и реле. К магнитно-мягким материалам относятся пермаллои, альсиферы и электротехнические кремнистые стали. Технически чистое железо имеет малое количество примесей (за рубежом его называют армко-железо ) Вм ≥ 3 500, Нс < 65 – 100, µ н = 250, µ макс = 7 000. Магнитно-твердые материалы обладают большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Для них характерна широкая гистерезисная петля и большие потери на гистерезис. Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. К магнитно-твердым материалам относятся чистые металлы: железо, никель, кобальт, сплавы некоторых металлов и неметаллические материалы – ферриты. Для всех магнитных материалов характерно старение, т.е. необратимое ухудшение их магнитных свойств. Наиболее ярко старение проявляется у магнитно-твердых материалов и, особенно, при высоких температурах ( 200 и более 0С ). В дросселях, в катушках индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала существуют потери - Р: - в меди – Рм; 27 - на гистерезис – Рг; - на вихревые токи - Рвт. Р = Р м + Рг + Рвт . Потери в меди можно легко измерить, вытащив сердечник из катушки Р м = RI 2 . индуктивности. Потери на гистерезис рассчитываются по формуле: Р г = k г ⋅ f ⋅ V ⋅ Bm , n где kг – коэффициент, характеризующий данное вещество. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи или токи Фуко названные по имени французского физика Л.Фуко, возникают в проводниках и в сплошных металлах при изменении магнитного потока, причем их направление подчиняется правилу Ленца, т.е. они направлены так, что взаимодействие их с первичным магнитным полем тормозит то движение, которым вызывается магнитная индукция. Вихревые токи приводят к размагничиванию материала. 2 РВТ = k ВТ ⋅ f 2 ⋅ B м ⋅ V , Рис.10 К разделению потерь мощности на гистерезис и вихревые токи Разделить токи можно произвести не только аналитически, но и графически, рис. 1.6. Поскольку потери мощности на гистерезис пропорциональны частоте, а потери мощности на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, то при высокой частоте определяющим являются потери на вихревые токи. 10 Электроизоляционные материалы. 10.1 Определение, назначение и классификация. Виды материалов. Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы. Они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Назначение электрической изоляции − не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены 28 электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов. Термины диэлектрический материал и электроизоляционный материал воспринимаются как синонимы, хотя это не одно и то же. Понятие диэлектрический материал шире, чем электроизоляционный. Настоящая лекция посвящена электроизоляционным материалам, которые образуют самый многочисленный тип электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами. В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому для различных случаев применения выбирают разные материалы. Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, применяемый для устранения утечки электрических зарядов. К ЭИМ относят материалы преимущественно с ионным характером проводимости ( ρ > 108 Ом × м ). Хорошие ЭИМ в настоящее время имеют ρ > 1012 Ом × м, с точки зрения физики к ЭИМ относят материалы с шириной запрещённой зоны более 3 Эв. Основное назначение электроизоляционного материала состоит в том, чтобы не пропускать ток по нежелательным путям, а только по цепи, выполненной из материалов с высокой проводимостью. Электроизоляционные материалы (ЭИМ) классифицируют по следующим признакам: • по агрегатному состоянию; • по химическому составу; • по природе происхождения; • по способности к поляризации. По агрегатному состоянию ЭИМ подразделяются на твёрдые, жидкие и газообразные. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии во время введения их в изготовляемую изоляцию являются жидкостями, но затем твердеют и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды). Жидкие диэлектрики могут использоваться для усиления изоляции твердых пористых материалов. Они обладают высокой теплоемкостью и 29 высоким коэффициентом теплопередачи. Поэтому, применение для изоляции жидких диэлектриков позволяет значительно улучшить отвод тепла от токоведущих частей машин и аппаратов и тем самым повысить их мощность. Ряд жидких диэлектриков обладает хорошими дугогасящими свойствами, поэтому они широко применяются в высоковольтных выключателях. Газообразные диэлектрики обладают некоторыми преимуществами перед другими электроизоляционными материалами. Наиболее важным из них является способность газообразных диэлектриков восстанавливать электрическую прочность после их пробоя. Кроме того, они не подвержены старению, т.е. с течением времени они не ухудшают свои свойства. Газообразные электроизоляционные материалы обладают высоким удельным электрическим сопротивлением и малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Характерным свойством газообразных диэлектриков является малое значение диэлектрической проницаемости. По химическому составу электроизоляционные материалы подразделяются на органические и неорганические. Отдельную группу представляют элементоорганические материалы. Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и другие металлы, кислород и т.п. Органические материалы обладают высокой электрической прочностью, но меньшей нагревостойкостью в сравнении с неорганическими материалами. Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы за немногими исключениями (фторлоны, полиимиды и пр.) имеют относительно низкую нагревостойкость. Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки, технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. Электроизоляционные материалы классифицируют по виду поляризации на полярные и неполярные. Особенности поляризации дают возможность классифицировать все диэлектрики на несколько групп. К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией. Таковыми являются, например, неполярные и слабо полярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабо полярные жидкости и газы (бензол, водород и др.). Ко второй группе относятся диэлектрики, 30 обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. К ним принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), а также некоторые хлорированные углеводороды. Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно - электронно - релаксационной поляризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик: 1 - диэлектрики с электронной и ионной поляризациями; 2 диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поляризациями. К первой группе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил). Ко второй принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке. Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релакса-ционной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и другие. Приведенная выше классификация диэлектриков позволяет до известной степени предопределять основные их электрические свойства, как это показано далее. Полярные ЭИМ – это материалы, молекулы которых имеют постоянный электрический момент. Неполярные ЭИМ – материалы, молекулы которых приобретают индуктированный электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля. Это разделение важно при оценке электрических свойств и гигроскопичности материалов. ЭИМ различают на природные, искусственные и синтетические. Искусственные материалы получают путем химической переработки природного сырья, а синтетические методом химического синтеза. В процессе эксплуатации оборудования железнодорожного транспорта на электрическую изоляцию воздействует множество неблагоприятных факторов: тряска, вибрация, изменение температур, иногда в широком диапазоне, повышенные температуры, загрязнение, увлажнение, воздействие агрессивной пыли, электрического поля, как при рабочем напряжении, так и при перенапряжениях. Поэтому с течением времени изоляция постепенно теряет свои первоначальные свойства. Требования к электроизоляционным материалам постоянно повышаются. Это связано с тем, что электротехническое оборудование должно надежно выполнять свои функции во все более усложняющихся условиях. В будущем особенно будут увеличены требования к стойкости ЭИМ сильному электрическому полю и повышенным температурам. Кроме того, важную роль будут играть технологичность и экономические соображения. 31 10.2 Газообразные диэлектрики: Воздух является основным изолирующим материалом. Он входит в состав электрической изоляции большинства электрических установок и играет важную роль в формировании электрических свойств изоляции. Сухой воздух по объёму состоит из азота ( 78 % ), кислорода ( 21 % ), аргона ( 0,93), незначительного количества углекислого газа и примесей благородных газов. В качестве ЭИМ воздух используется в воздушных линиях электропередач, распределительных устройствах, в воздушных конденсаторах и выключателях. Азот имеет такую же электрическую прочность как и воздух. Не смотря на это, он часто заменяет воздух в конденсаторах и в газонаполненных кабелях. Не обладая окисляющим действием, азот не разрушает соприкасающиеся с ним материалы. Водород представляет интерес для электромашиностроительной промышленности. Коэффициент теплопередачи от твёрдого тела к газу у водорода в 1,5 раза выше, чем у воздуха, а плотность его значительно меньше. Поэтому, несмотря на меньшую электрическую прочность по сравнению с воздухом, применение его для охлаждения крупных электрических машин экономически целесообразнее, вследствие снижения потерь на трение в 10 раз, снижения вентиляционных шумов и увеличения срока службы твёрдой изоляции генераторов из-за отсутствия окисления. Элегаз обладает высокой электрической прочностью, низкой температурой кипения, высокой дугогасящей способностью, нетоксичен и химически стоек до температуры 800 0С. Применяется в высоковольтном электрооборудовании: в газонаполненных кабелях, конденсаторах, распределителях и выключателях. 10.3 Жидкие диэлектрики: Жидкие ЭИМ обладают высокой теплоёмкостью и высоким коэффициентом теплопередачи. Поэтому применение для изоляции жидких диэлектриков позволяет значительно улучшить отвод тепла от токоведущих частей машин и аппаратов и тем самым повысить их мощность. Ряд жидких диэлектриков обладает хорошими дугогасящими свойствами, поэтому они широко применяются в высоковольтных выключателях. По своей природе и происхождению жидкие ЭИМ подразделяют на три основные группы. • Минеральные углеводороды – продукты перегонки нефти и каменного угля • Растительные углеводороды • Синтетические жидкие диэлектрики Наибольшее распространение в технике получили минеральные масла. По своему назначению они подразделяются на трансформаторное, конденсаторное и кабельное. 32 Трансформаторное масло представляет собой неполярную жидкость от почти бесцветного до тёмно-жёлтого цвета. Цвет чистого масла зависит от исходного продукта и не определяет его свойства. Конденсаторное масло отличается от трансформаторного только большей степенью очистки. Очистка повышает удельное электрическое сопротивление и электрическую прочность масла, а также резко уменьшает угол диэлектрических потерь. Кабельное масло, служащее для пропитки бумажной изоляции кабелей высокого напряжения, - маловязкое. По своим электрическим свойствам оно близко к конденсаторному. Для пропитки изоляции кабелей на более низкое напряжение используются вязкие кабельные масла. В них для увеличения вязкости растворяют канифоль. При работе в электрических аппаратах изоляционные свойства минерального масла постепенно ухудшаются. Происходит электрическое старение масла. В процессе старения в масле образуются кислоты и смолы. Масло темнеет, его вязкость возрастает. Тяжёлые, загрязняющие масло частицы осаждаются на дно баков и детали аппаратов. Образуются плотные слои так называемого ила или шлама, резко ухудшающее отвод тепла от токоведущих частей. Старение минеральных масел вызвано окислением кислородом воздуха, особенно озоном, образующимся при коронировании. Воздействие света иповышенных температур ускоряет процесс старения. При непосредственном контакте с некоторыми металлами (медью, алюминием, свинцом и другими) процесс старения ускоряется, так как металлы являются катализаторами. Растительные масла – вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений. Растительные масла делят на две группы, резко отличающиеся по свойствам и областям применения. К первой относят высыхающие масла, ко второй невысыхающие. Высыхание масла представляет собой химический процесс образования из тонкого слоя масла прочной эластичной плёнки. Процесс высыхания (отвердения) идёт под действием нагрева, освещения и соприкосновения с воздухом. В электротехнической промышленности наиболее распространёнными высыхающими маслами являются тунговое и льняное. Они применяются для изготовления электроизоляционных лаков, лакотканей, пропитки дерева и других волокнистых материалов. Одним из наиболее распространённых невысыхающих жидких диэлектриков является касторовое масло, получаемое из семян клещевины, оно используется для пропитки бумажных конденсаторов, рассчитанных на работу при постоянном напряжении. Синтетические жидкие диэлектрики. В нашей стране наибольшее распространение получили хлорированные углеводороды, известные под названием совол и совтол. Совол является очень хорошим жидким диэлектриком для конденсаторов, но из-за большой вязкости не пригоден для 33 заливки трансформаторов. Для этой цели его разбавляют трихлорбензолом, соответственно получая совтол. 10.4 Твёрдые диэлектрики. Твердые диэлектрики являются составной частью подавляющего большинства высоковольтных изоляционных конструкций. Они и выполняемые из них изоляционные устройства должны обеспечивать, надежную работу и длительную эксплуатацию электротехнических устройств. Естественно, что при высоких напряжениях важнейшую роль играют электрические характеристики изоляции, к которым относятся электропроводность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и электрическая прочность. Эти характеристики могут существенно изменяться в зависимости от температуры, частоты, влажности, срока службы и других факторов. Не менее важную роль играют и механические свойства твердых диэлектриков - прочность на разрыв, сжатие, изгиб, на расслоение, устойчивость при ударных и вибрационных нагрузках и т. д. Тепловые условия эксплуатации изоляции сказываются на ее сроке службы и ограничивают предельную мощность, например, электрической машины; применение теплостойкой изоляции и улучшение условий ее охлаждения позволяют поднять мощность электрической машины и повысить надежность работы. В условиях эксплуатации необходимо считаться с неблагоприятным для изоляции влиянием; увлажнения, загрязнения поверхности различными жидкими и твердыми осадками, окружающей агрессивной среды и т. д. В отношении теплостойкости принята приведенная в таблице классификация твердых изолирующих материалов по допустимой наивысшей рабочей температуре Классы теплостойкости электромашинной и аппаратной изоляции. Классы Наибольшая Y 90 А 105 Е 120 В 130 F 155 Н 180 С Свыше180 температура, ºС ... Следует отметить, что один и тот же материал в зависимости от природы исходного сырья, от сочетания с другими материалами, при разных методах и приемах технологической обработки может быть отнесен к различным классам теплостойкости; к классу Y, например, относятся все непропитанные материалы из целлюлозы и шелк, ряд синтетических термопластичных материалов - полиэтилен, полистирол, полихлорвинил, некоторые виды каучука. После пропитки маслом целлюлозные материалы переходят в класс А. В этот же класс А входят синтетические материалы на основе химической обработки целлюлозы - эфиры целлюлозы; прессованные слоистые материалы на основе бумаги и хлопчатобумажных или шелковых тканей с применением склеивающих лаков могут работать при 120° С, входя в класс Е. Бумага в сочетании со слюдой относится к классу В. Требованиям класса В 34 удовлетворяют некоторые полиэфирные смолы, эпоксидные пластмассы, лавсан, а также слоистые материалы на основе слюды, стеклянного и асбестового волокна, пропитанные меламиновыми смолами. В класс F входят слоистые материалы на основе слюды, стеклянной и асбестовой ткани, склеенные бакелитовой, эпоксидной или полиэфирной смолами, ряд сортов асфальта с температурой плавления, превышающей 155° С. К классу Н относятся материалы из слюды, стеклянных и асбестовых тканей с кремнийорганической пропиткой и связкой. При температурах свыше 180° (класс С) могут работать слюда, асбест, стеклянное волокно, фарфор и фторопласт 4 (до 250°). 11 Электрические характеристики электроизоляционных материалов. Электрическими характеристиками для ЭИМ являются удельное электрическое сопротивление, электрическая прочность, относительная диэлектрическая проницаемость и угол диэлектрических потерь. Степень важности отдельных свойств зависит от применения данного материала. Для электроизоляционных материалов важнейшими являются их удельное электрическое сопротивление и электрическая прочность, а для диэлектриков в конденсаторах – относительная диэлектрическая проницаемость и угол диэлектрических потерь. 11.1. Электропроводность диэлектриков. В электроизоляционных материалах вообще не должны были бы существовать свободные носители зарядов. Однако известно, что все ЭИМ в той или иной мере проводят электрический ток, Это означает, что они содержат определённое, хотя и очень малое количество свободных носителей зарядов. Образование свободных носителей зарядов в ЭИМ происходит по – разному в сильных и слабых электрических полях. В сильных электрических полях причиной образования свободных носителей зарядов служит само электрическое поле, Из-за высокой напряжённости электрического поля небольшая часть свободных носителей (которая всегда существует в любом веществе за счёт ионизации радиоактивными и космическими излучениями) приобретает такую скорость, при которой способны ионизировать нейтральные частицы ЭИМ. В результате возникает ударная ионизация. В слабых электрических полях причиной возникновения свободных носителей заряда является диссоциация загрязнений и примесей, так как при диссоциации образуются ионы то для большинства ЭИМ электропроводимость носит ионный характер. У электроизоляционных материала различают два вида электропроводности: объёмную и поверхностную. Объёмной электропроводностью обладают диэлектрики в любом агрегатном состоянии. Поверхностной электропроводностью обладают только твёрдые диэлектрики. 35 Чем выше электропроводность диэлектрика тем ниже его качества как изолирующего материала. Для сравнения различных ЭИМ между собой по электропроводности введены понятия удельного объёмного ρv, и удельного поверхностного ρs сопротивления. 11.2. Удельное объемное сопротивление равно сопротивлению куба с ребром, равным единице длины, мысленно вырезанного из ЭИМ так, что ток проходит только через две противоположные грани этого куба. Объемная электропроводность диэлектрика зависит от структуры вещества и нарушений этой структуры (наличия примесей и дефектов в виде пор, микротрещин). Кроме того, она зависит от температуры и других физических факторов. Схема для измерения ρv представлена на рисунке 1: Рис. 11. Соответственно: РН – регулятор напряжения; В – выпрямитель; V – киловольтметр; RО – ограничительное сопротивление предназначенное для обеспечения безопасной работы; К – ключ; Э1 , Э2 –электроды; ОК – охранное кольцо ( исключает при измерениях поверхностные токи ), ЭИМ – испытуемый материал, Rш – токоотводящий шунт (предназначен для расширения пределов измерений); Г – гальванометр. Величина объёмного сопротивления определится по формуле: U S, ρV = ⋅ IV d где U – приложенное напряжение, Iv – измеренный ток, S – площадь электрода Э1 , d – толщина ЭИМ; единица измерения ρv – [ом × м]. 11.3. Удельное поверхностное сопротивление. равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно выделенного на поверхности ЭИМ так, чтобы ток проходил через две противоположные стороны квадрата. Его значение тем выше, чем меньше полярность 36 диэлектрика, чем лучше отполирована и чище его поверхность. Схема для измерения ρs представлена на рисунке 12: Отличие данной схемы от предыдущей заключается в функциональной принадлежности электродов. Электроды Э1 и Э2 предназначены для приложения испытательного напряжения к ЭИМ, электрод Э3 выполняет функцию охранного кольца и исключает при измерениях объёмного тока сквозь толщу материала. Величина удельного поверхностного сопротивления будет U l определена: ρS = ⋅ , IS b где: U – приложенное напряжение, Is – измеренный ток, l - длина электродов, b – расстояние между электродами; единица измерения ρs - [ом ]. 11.4 Электрическая прочность. - определяет способность ЭИМ сохранять свои изоляционные свойства в электрическом поле - для равномерного электрического поля определяется: Uпр Епр = а электрическая прочность зависит: - площади электродов ( поры, неровности поверхности) - времени воздействия напряжения ( старение ) - скорости нарастания напряжения ( tпр = tож + tформ ). Предразрядное, ожидания, формирования – время. - частоты источника питания - расстояния между электродами равномерное поле – 30 Кв/см (плоскостьплоскость) Слабо неравномерное 27,5 Кв/см (шар-шар) 37 12 Электрическая прочность и факторы, влияющие на неё 12.1 Влияние частоты источника питания. Рис.13 Зависимость пробивного напряжения от частоты. При изменении частоты от 0 до fкр. разрядное напряжение не меняется. При увеличении частоты от ƒкр до ƒ1 – снижение пробивного напряжения. Это связано с инерционностью более тяжёлых ионов, которые не успевают за один полупериод изменения напряжения, преодолеть межэлектродное расстояние, что приводит к образованию объёмного заряда, который и снижает пробивное напряжение. ƒ1 – ƒ2 – прекращение роста заряда (равновесие); ƒ2 – ƒ3 - снижение Uпр ; длительность полупериода U меньше времени пробега электронами МЭП, часть электронов не успевает уходить на электроды способствуя ионизации газа; дальнейший рост ƒ ведёт к резкому увеличению Епр при таких частотах длительность полупериода U уменьшается настолько, что некоторые электроны не успевают достичь требуемой величины Wион. 12.2 Влияние расстояния между электродами. В равномерных и слабо-неравномерных электрических полях пробивная напряжённость слабо зависит от расстояния между электродами - равномерное 30 Кв/см; - слабо-неравномерное 27,5 Кв/см. Однако при больших расстояниях между электродами пробивное напряженность снижается и линейность разрядной характеристики нарушается. Это связано с тем, что в больших объёмах газа ударная и фотонная ионизация протекают значительно легче. 12.3. Влияние неравномерности электрического поля. Электрическая прочность промежутка в однородном поле одинакова и с достаточной точностью может быть определена по эмпирической формуле: Uпр = 6,66√𝛿а + 24,55δ·а: где Р δ = 0,386 · . Т 38 Неравномерное электрическое поле – это поле, в котором на единицу площади в межэлектродном пространстве приходится неодинаковое количество силовых линий. Степень неравномерности электрического поля оценивают коэффициентом неравномерности: f= Епр.равн. Епр.неравн. Коэффициент неравномерности поля показывает, во сколько раз снижается средняя пробивная напряжённость в неравномерном поле по сравнению с пробивной напряжённостью равномерного электрического поля при одном и том же расстоянии между электродами. Коэффициент неравномерности зависит от отношения расстояния между электродами а к радиусу кривизны электродов r, данная зависимость представлена на рисунке 6: Рис. 14. Зависимость f от расстояния между электродами и радиуса кривизны электродов. 12.4. Влияние давления. Влияние давления объясняется изменением длины свободного пробега электронов между соударениями. Графически данная зависимость представлена на рисунке 15 Рис. 15 Влияние давления на электрическую прочность. С увеличением давления газа уменьшается длина свободного пробега электрона. Электроны не могут приобрести энергию достаточную для 39 ионизации нейтральных частиц газа, это снижает интенсивность ионизации и соответственно повышается разрядное напряжение. Снижение давления до определённой величины вызывает уменьшение разрядного напряжения до U мин. За границей минимума газ находится в сильно разряжённом состоянии и вероятность столкновения электрона с нейтральной частицей уменьшается. Это затрудняет возникновение ударной ионизации – соответственно пробоя. Увеличение электрической прочности с падением давления заканчивается пределом Е макс когда начинается эмиссия электронов с поверхности электродов. 12.5. Влияние полярности электродов. В неравномерных и несимметрических электрических полях на величину электрической прочности газа весьма сильно влияет полярность электродов. На рисунке 16 показаны электроды, образующие неравномерное и несимметричное электрическое поле. На этих схемах полярность острия различная, а расстояние электродами одинаковое. В обоих случаях очаг ионизации располагается вблизи острия, т.е. в месте, где напряжённость электрического поля максимальна. При положительной полярности стержня электроны, двигаясь от плоскости к игле, ионизируют нейтральные частицы и, образуя лавину электронов уходят на иглу. Положительно заряженные ионы, которые тяжелее электронов в 1836 раз, остаются в пространстве и медленно перемещаются к противоположному электроду. Таким образом, вблизи стержня создаётся положительный объёмный заряд, где направление напряжённости внешнего электрического поля и объёмного заряда совпадают. Присутствие положительного объёмного заряда в межэлектродном пространстве уменьшает поле вблизи стержня и усиливает его в большей части пространства. Рис. 16. 1 – начальное распределение напряжения; 2 – установившееся распределение напряжения. Механизм развития разряда со стержня при отрицательной полярности отличается от описанного выше механизма разряда при положительной полярности. Начальные напряжения ионизации и лавинообразования при стержнях обеих полярностей одинаковы, но при отрицательной полярности 40 иглы объёмный положительный заряд концентрируется вблизи острия. Электроны под действием поля выносятся в зону с меньшей напряжённостью электрического поля, и большинство из них захватывается нейтральными молекулами с образованием отрицательных ионов. В результате создаётся второй объёмный заряд из рассеянных отрицательных ионов в остальной части промежутка. Поэтому поле вблизи катода усиливается, а в большей части пространства оно ослабевает. Это приводит к увеличению пробивного напряжения. Рис.17 Схема развития разряда в поле стержень – плоскость при отрицательной полярности стержня и вызванное им изменение картины поля. 1 и 2 – то же, что на рисунке 16 12.6. Влияние влажности. Под действием повышенной влажности изоляционные свойства большинства ЭИМ ухудшаются, это связано с высокой степенью диссоциации воды на ионы, что приводит к увеличению проводимости. Главным источником влаги является водяной пар атмосферы. При соприкосновении твёрдого ЭИМ с атмосферой содержащей влагу, происходят два явления: адсорбция воды на поверхности изолирующего мате5риала и адсорбция воды внутрь его. Причиной адсорбции является диффузия, т.е. силы, которые действуют между молекулами воды и частицами материала на его поверхности. В пористых ЭИМ, например в бумаге, процесс диффузии облегчается капиллярными силами, При диффузии молекулы пара проходят между частицами твёрдого материала. Скорость диффузии тем выше, чем больше объём свободного пространства в изоляционном материале и чем выше его температура. Эти величины возрастают в два раза при повышении температуры на 10 градусов. Влияние влажности на процесс разряда при равномерном электрическом поле мало. В таких полях нет очагов ионизации и поэтому диполи воды, распределённые в объёме газа, не могут заметно снизить электрическую прочность газа. Однако капли водяного пара, конденсируемые на поверхности плоских электродов, действуют как маленькие острия, создавая множество мелких очагов ионизации, и служат причиной весьма значительного уменьшения (до 40%) напряжения возникновения короны. Зависимость электрической прочности газа от его влажности проявляется только в резко неравномерных полях. Сущность этого влияния сводится к 41 следующему: сравнительно крупные частицы водяного пара, попадая в электрическое поле, сильно ионизируются (заряд этих диполей во много раз больше заряда электрона), поэтому диполи притягивают к себе большое количество электронов и под собственной тяжестью а также токами газа выносятся из очагов ионизации. Для того чтобы восстановить величину заряда, необходимо приложить большее напряжение, то есть увеличение влажности приводит к повышению средней величины электрической прочности газа. Влияние влаги на электрическую прочность жидких диэлектриков чрезвычайно велико. Так, например, если трансформаторное масло содержит 0,001% влаги от его объёма, его электрическая прочность составляет 25 – 30 кВ/мм, если 0,01% то Епр. = 4 – 5 кВ/мм, т.е. снижается в 5 – 6 раз и такое масло становится совершенно непригодным для изоляции высоковольтных установок. При увлажнении твёрдых электроизоляционных материалов пробивное напряжение также уменьшается. 13. Пробой диэлектриков. Электрическим пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности изоляции под действием внешнего электрического поля. Напряжение, при котором наступает пробой носит название пробивного напряжения Uпр., соответствующее этому напряжению напряжённость электрического поля в диэлектрике носит название пробивной напряжённости или электрической прочности Е пр. 13.1 Пробой газообразных диэлектриков. При формировании разряда по газу важную роль играет процесс ионизации. Ионизация становится возможной, если атому или молекуле газа сообщается энергия, достаточная для удаления электрона из сферы действия сил притяжения ядра. Ряд обстоятельств может вызвать возникновение в объеме газа ионов и электронов. При этом возможно столкновение нейтральных частиц с нейтральными или заряженными; эти явления получили общее название ударной ионизации. Фотоионизация возникает под действием электромагнитных коротковолновых излучений, этой способностью обладают свет ртутнокварцевых ламп, электрической дуги между железными электродами, рентгеновские и тем более космические лучи. Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают энергию атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы – положительные ионы. Образовавшиеся свободные электроны могут сохранять самостоятельное движение или присоединяться к нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Под действием внешнего электрического поля ионизированные частицы воздуха получают дополнительную энергию W, 42 W = e · U. В этой формуле вместо заряда Q используется заряд электрона е, так как в относительно слабых полях только электроны имеют значительные длины пробега λ и если электрическое поле можно принять однородным то: U = E × λ. Следовательно, среднее значение энергии, накапливаемое движущейся заряженной частицей – электроном, между соударениями определяется выражением Wλ = е · Еλ · λ . Пробой происходит при условии: Wλ > Wиониз. , где Wиониз. – энергия ионизации необходимая для полного отрыва электрона. Wиониз. = е · Е иониз. · а , здесь а – расстояние между электродами; е · Еλ · λ > е · Е иониз. · а , откуда критическое значение напряжённости электрического поля а Екр. > Е иониз. · . λ Для воздуха чтобы заряженная частица могла приобрести энергию достаточную для начала ударной ионизации, ей необходимо пройти без столкновения довольно длинный путь λкр.= 10 ̵ 5 см. Следовательно, ионизация возможна только за счёт ударов электронами, а не ионами, так как ионы, имея большие размеры и массу, не могут накопить энергию превышающую энергию ионизации. Газовый разряд может развиваться в форме пробоя с образованием в диэлектрике проводящего канала при одновременной потере диэлектриком его изолирующих свойств и в форме перекрытия или поверхностного пробоя вдоль поверхности раздела двух диэлектриков. Разряд может происходить при малой плотности тока, быть диффузным; при большой плотности тока при некоторых условиях давления газа разряд может протекать в форме искры или электрической дуги. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов и электронов, возникающих вследствие ионизирующего воздействия коротковолновых излучений света, излучений вследствие распада радиоактивных элементов земной коры, излучений высокой энергии, проникающих сквозь атмосферу земли и сильно в ней ослабляемых. Концентрацию ионов над сушей в нормальных условиях воздуха можно оценивать в среднем числами N+ ≈ 750 и N_ ≈ 650 ионов в 1 см3; эти ионы могут обеспечить среднюю проводимость воздуха порядка 2,2⋅10-16 [Ом × м] -1 характеризующую, поэтому воздух как весьма хороший диэлектрик. Над морем средняя концентрация ионов понижается вследствие поглощения водой излучений земной коры; на больших высотах концентрация заряженных частиц может быть на несколько порядков выше, чем у земли на уровне моря. Концентрация ионов и электронов в атмосфере поддерживается в подвижном равновесии за счет, с одной стороны, возникновения новых 43 ионов и электронов под действием естественных ионизаторов, с другой - нейтрализации ионов и электронов в процессе их рекомбинации. Стадии развития разряда в воздухе можно уяснить из вольт-амперной характеристики в однородном поле (рис.18), т. е. зависимости плотности тока от напряжения, приложенного к электродам. При возрастании напряжения от нуля до UА (участок ОА) имеет место закон Ома - убыль концентрации зарядов между электродами восполняется за счет актов ионизации и диффузии заряженных частиц в пространство между электродами. Рис. 18. Вольт-амперная характеристика газового разряда. При дальнейшем повышении напряжения рост плотности тока замедляется и при напряжении UВ (точка В – коронный разряд ) совсем прекращается; все заряженные частицы по мере их возникновения выносятся полем из межэлектродной области на электроды, достигается плотность тока насыщения, остающаяся неизменной, пока напряжение но достигнет значения UС (точка С – кистевой разряд ); с этого момента начинается ускоренное в сравнении с напряжением нарастание плотности тока вплоть до точки D (возникновение искрового разряда), когда напряжение достигнет значения UD; на участке CD вольт-амперной характеристики напряженность поля между электродами становится достаточной для ударной ионизации. Рассмотренный участок ОАВСД вольт-амперной характеристики соответствует несамостоятельной форме разряда. Для поддержания несамостоятельной формы разряда необходимо наличие внешнего ионизатора, все время создающего новые электроны и ионы; часть CD вольт-амперной характеристики представляет переходную стадию от несамостоятельного разряда с его малой плотностью тока к самостоятельному, возникающему на участке за точкой D, не требующему уже наличия внешнего ионизатора и бурно развивающемуся под действием сил электрического поля; участок BCD соответствует формам коронного или тлеющего разряда, а участок DQ – дуговому разряду, имеющему относительно большую плотность тока и поддерживаемому ионизационными процессами не только в результате ударной ионизации, но также под влиянием высокой температуры и вызываемой ею термической ионизации воздуха и термоэлектронной эмиссии с катода . 44 13.2. Пробой жидких диэлектриков. В технике высоких напряжений и материаловедении жидкие диэлектрики играют важную роль. Они по многим своим свойствам близки к твердым диэлектрикам и существенно отличаются от газов (например, по плотности, теплоемкости и вязкости). Высокая электрическая прочность жидких диэлектриков позволяет создать весьма компактные изоляционные конструкции с относительно малыми габаритами. Изолирующие жидкости являются средой, используемой для охлаждения и отвода тепла благодаря чему представляется возможность существенно повысить мощность и обеспечить условия надежной эксплуатации токоведущих и изоляционных элементов высоковольтных аппаратов и устройств. И, наконец, чрезвычайно важная и ответственная функция принадлежит жидким диэлектрикам как среде, облегчающей гашение электрической дуги в выключателях. Жидкие диэлектрики, применяемые в высоковольтных устройствах, классифицируют по их природе и происхождению на следующие группы: - углеводороды минеральные - продукты перегонки нефти и каменного угля; - углеводороды растительные, имеющие ограниченное применение в высоковольтных аппаратах; - продукты хлорирования углеводородов ароматического ряда; - кремнийорганические соединения и другие жидкости химического синтеза. Электрическая прочность жидких диэлектриков значительно выше, чем газообразных, особенно технически чистых, т.е. жидкостей без большого количества примесей. Для объяснения механизма пробоя жидкого диэлектрика при некоторых доминирующих факторах и для чистого диэлектрика пользуются ионизационной теорией пробоя, подобной теории пробоя газов. При этом возрастание электрической прочности жидкостей в сравнении с газом объясняется повышением плотности вещества и связанным с этим уменьшением длины свободного пробега заряженных частиц. Перенос заряда в этом случае осуществляется в основном благодаря движению ионов, образованных диссоциацией примесей и продуктов распада жидкости при её старении, Примеси в изоляционной жидкости могут быть самые разнообразные, например газовые компоненты и пары воды. При относительно медленных изменениях электрического поля различают два вида пробоя: скрытый газовый разряд и мостиковый пробой. Скрытый газовый разряд заключается в следующем. Под действием электрического поля и при соударениях одинаково заряженных ( положительных или отрицательных ) ионов в масле или другой изоляционной жидкости могут возникать газовые микрообъёмы. В них протекают ионизационные процессы, приводящие к перегреву и разложению масла вблизи включений. Это вызывает дополнительное выделение газов. Кроме того, происходит увеличение концентрации зарядов в масле, следовательно, возрастают плотность тока, дополнительный нагрев и образуются 45 газовые пузырьки. Ионизационные процессы в газовых пузырьках повышают электропроводность газа, образуют лавину носителей заряда, и под действием выделяемого тепла наступает пробой в масле. Таким образом, при постоянном напряжении и напряжении промышленной частоты пробой происходит не по жидкости а по газовым включениям. Мостиковый пробой. Изолирующая жидкость, в частности трансформаторное масло, в процессе эксплуатации загрязняется. В него попадают микроскопические частички твёрдой изоляции, нити целлюлозы и вода через контактную поверхность с атмосферой. Вода образуется и при старении масла. В результате нити бумажной изоляции впитывают влагу и увеличивают свою диэлектрическую проницаемость. При воздействии электрического поля нити поляризуются и движутся в область с максимальной напряжённостью электрического поля, т.е. они скапливаются в межэлектродном пространстве, образуя проводящий мостик. Из-за высокой электропроводности мостика через него протекает ток большой плотности, в мостике и окружающем его пространстве выделяется джоулево тепло, что приводит к испарению воды и отдельных компонентов масла вблизи мостика. В результате в возникших газовых пузырьках происходит пробой. 13.3 Пробой твёрдых диэлектриков. Механизм пробоя твёрдого диэлектрика весьма сложен. Различают три основных видапробоя электроизоляционного материала: • электрический; • тепловой; • ионизационный (электрохимический). Механизм образования электрического пробоя в однородном и неоднородном твёрдых диэлектриках различен. Однако во всех случаях пробой этого вида развивается очень быстро (10 ̵ 7 – 10 ̵ 8 с). По свое природе электрический пробой однородного твёрдого диэлектрика является процессом электронным. При приложении высокого напряжения под действием мощного электрического поля из немногих свободных электронов, имеющихся в диэлектрике, развивается электронная лавина. Электроны, достигшие критической скорости, производят отрыв новых электронов от узлов кристаллической решётки, т.е. возникает ударная ионизация в твёрдом теле. Напряжённость электрического поля, при которой может иметь место электронный механизм пробоя, достигает 1000 кВ/мм. Столь высокая напряжённость обычно возникает при воздействии на твёрдый диэлектрик импульсного напряжения, поэтому электрический пробой называют импульсным. Механизм электрического пробоя неоднородного твёрдого диэлектрика несколько иной. Наиболее существенным здесь оказывается наличие газовых включений. В мощном электрическом поле газовые включения ионизируются и служат очагами электронных лавин. Поэтому электрическая прочность неоднородного диэлектрика значительно меньше, чем однородного. 46 При приложении к твёрдому диэлектрику постоянного напряжения или переменного промышленной частоты чаще всего имеет место другой механизм пробоя – тепловой. Возникновение теплового пробоя связано с наличием у материала электропроводности и диэлектрических потерь. Механизм теплового пробоя следующий. Сквозной ток, протекая через диэлектрик, нагревает его. В объёме вещества нагрев происходит не равномерно , так как у твёрдых диэлектриков всегда имеются тонкие каналы с большой проводимостью, чем у остальной части (поры и микротрещины). С ростом напряжения температура каналов, обладающих повышенной проводимостью, увеличивается быстрее, чем в остальной части диэлектрика. Интенсивный разогрев каналов приводит к дальнейшему росту их проводимости и новому увеличению плотности тока в каналах. При непрерывном увеличении напряжения этот процесс развивается до тех пор, пока не произойдёт оплавление или прожог вещества в одном из наиболее разогретых каналов, т.е. наступит тепловой пробой материала. Величина пробивного напряжения при тепловом пробое значительно меньше, чем при электрическом, и зависит от начальной температуры, интенсивности отвода тепла, времени воздействия напряжения и степени неоднородности диэлектрика. Ионизационные процессы в газовых включениях твёрдых диэлектриков имеют локальный характер и представляют собой ряд последовательных вспышек, называемых частичными разрядами. Если напряжение превышает величину начального напряжения частичных разрядов длительно, то частичные разряды резко усиливаются и начинается быстрое разрушение структуры диэлектрика. В этих условиях один раз возникшие ионизационные процессы продолжают существовать и при напряжении, значительно меньшем напряжения частичных разрядов. Это напряжение называют критическим. При напряжениях, больших или равных критическому, диэлектрик длительное время работать не может, так как ионизационные процессы в порах будут непрерывно усиливать его электрическое разрушение и пробой может наступить даже при рабочем напряжении. 14. Разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика. В теории газового разряда важное значение имеет разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика. В высоковольтных устройствах практически неизбежно совместное использование газообразных и твердых диэлектриков. Вдоль поверхности их раздела при определенных условиях могут создаваться возможности возникновения скользящего разряда или разряда по поверхности диэлектрика. Скользящий разряд в форме искры может перекрыть расстояние между электродами по поверхности диэлектрика и при достаточной мощности источника питания завершиться дуговым разрядом. Каналы искрового и тем более дугового разрядов имеют высокую температуру (тысячи градусов); под влиянием нагрева может произойти разрушение диэлектрика. 47 Предупреждение опасности возникновения разряда по поверхности представляет одну из существенных задач при конструировании изоляционных устройств. Типичные расположения электродов, используемые при изучении особенностей развития скользящего разряда, представлены на рис. 19. Расположение на рис. 19,а в практическом выполнении встречается реже, чем два других, однако его исследование дало возможность выявить закономерности, позволившие сделать ряд ценных выводов о физических процессах, сопутствующих развитию разряда. Расположения, представленные на рис. 19,б и в, характерны для изоляционных конструкций с неоднородным полем, встречающихся в изоляторостроении (опорные и проходные изоляторы). При этом в схеме рис. 19 б превалирующее значение имеют нормальные составляющие напряженности поля к поверхности диэлектрика, в схеме рис. 19в - тангенциальные составляющие напряженности. Рис.19 Типичные картины электрического поля при исследовании условий развития скользящего разряда. 1 - электроды; 2 - диэлектрик. Развитие разряда по поверхности твердого диэлектрика облегчается под влиянием ряда обстоятельств. К ним относятся: конденсация влаги на поверхности диэлектрика, особенно в случае гигроскопических диэлектриков, где она образует проводящую тонкую пленку; наличие на поверхности растворимых солей и других загрязнений, повышающих проводимость этой пленки. Вследствие шероховатости диэлектрика между его торцом и поверхностью электрода нередко имеются микроскопические зазоры. Два элемента диэлектриков с резко различными диэлектрическими проницаемостями (εв воздуха равно единице, εд твердого диэлектрика, как правило, больше трех) оказываются включенными последовательно; напряженность в воздушной прослойке может превысить начальную, и тогда воздушное включение ионизируется. Микроскопические неровности и трещины на поверхности также могут быть причиной подобных явлений. Механизм образования поверхностного перекрытия можно проследить, пользуясь тремя основными схемами расположения диэлектрика в электрическом поле: 48 14.1ЭИМ расположен в однородном электрическом поле ЭИМ расположен так, что его боковая поверхность параллельна линиям поля (рис.2 а, б). В данном случае как примером может быть опорный изолятор. Условно можно представить его, как объект – диэлектрик расположенный в электрическом поле (создаваемого электродами плоскость – плоскость) силовые линии которого параллельны поверхности изоляционного материала. Эквивалентная расчётная схема представлена на рисунке 20 б. а) б) Рис.20 Расположение ЭИМ в равномерном электрическом поле На первый взгляд может показаться, что присутствие твёрдого диэлектрика не изменит равномерности электрического поля и поэтому пробивное напряжение воздуха вдоль твёрдого диэлектрика останется таким же, как и при отсутствии его. Однако опыт показывает, что присутствие твёрдого изолирующего материала влияет на величину разрядного напряжения: оно уменьшается в несколько раз. Указанная конструкция представляет собой многослойный конденсатор. Допустим, что воздушный зазор сосредоточен около одного из электродов и имеет ширину 2δ. Напряжение, приложенное к такому конденсатору, распределится обратно пропорционально ёмкости слоёв. Обозначим индексом “в” величины, относящиеся к воздушной прослойке, индексом “т” – к твёрдому диэлектрику. Тогда приложенное напряжение распределится: U C U = Uв + Uт , а в = в . Uт Cт Ёмкость слоёв определяется из выражений: ε ·S ε ·ε S Св = 0 , Ст = 0 , если а >> 2δ , то 2𝛿 а−2δ ε0 ·ε S Ст ≈ Тогда: Uв Uт ≈ 2δε а а . , Uт = Uв · а 2δε . а С другой стороны, Uв = U - Uт ≈ U - Uв · 2δε Откуда напряжение приходящееся на воздушную прослойку, будет 2δε определятся выражением: Uв ≈ U . а+2δε 49 Если а >> 2δ, то Uв ≈ U 2δ а ·ε , а напряжённость электрического поля: U U Ев = в ≈ ·ε . 2δ а Таким образом, в узком щелевом зазоре между твёрдым изолирующим материалом и электродом напряжённость электрического поля возрастает в ε раз. Продукты ионизации, вытекая из узких щелей резко усиливают ударную ионизацию вдоль боковой поверхности твёрдого диэлектрика, поэтому напряжение перекрытия оказывается значительно меньше, чем пробивное напряжение воздушного промежутка без присутствия твёрдого диэлектрика. 14.2 ЭИМ расположен в неоднородном электрическом поле. Расположен так, что его касательная составляющая напряжённости электрического поля Еτ на большей части боковой поверхности преобладает над нормальной EN рисунок 21. Рис. 21. Расчетная схема, соответствующего расположению ЭИМ в неоднородном электрическом поле Поскольку в данном случае между электродами образуется резко неравномерное поле с ярко выраженными очагами ионизации, напряжение перекрытия окажется значительно меньшим, чем в первом случае. Однако если сопоставить напряжение перекрытия воздушного промежутка того же расстояния и теми же электродами, то разница в напряжениях будет очень мала. Связано это с тем, что в данном твёрдый диэлектрик практически не влияет на процесс ионизации газа. Образующиеся в очагах ионизации заряды как бы скользят вдоль поверхности твёрдого диэлектрика, так как линии поля почти параллельны этой поверхности. 14.3. ЭИМ расположен в резко неоднородном электрическом поле. ЭИМ расположен так, что по всей его поверхности нормальная составляющая напряжённости электрического поля ЕN преобладает над касательной Еτ. 50 Рис. 22. Расчетная схема, соответствующего расположению ЭИМ в резко неоднородном электрическом поле При постепенном увеличении напряжения в очагах ионизации можно наблюдать корону, которая охватывает очень тонкий слой воздуха в непосредственной близости от поверхности твёрдого диэлектрика. При визуальном наблюдении за этой стадией разряда создаётся впечатление, что светящиеся голубовато – фиолетовым светом нити как бы стелятся по поверхности диэлектрика. Заряды, образующиеся в области коронирования, подхватываются силами поля и движутся вдоль поверхности твёрдого материала, прижимаясь к нему нормальной составляющей поля. Движение зарядов с трением вызывает термоионизацию поверхности твёрдого диэлектрика и ведёт к усилению коронного разряда. Из области короны начинают вырываться отдельные слабо светящиеся нити, длина и яркость свечения которых с повышением напряжения возрастают, и образуют скользящие разряды. После того, как скользящие разряды перемыкают электроды, наступает перекрытие по поверхности. Напряжение перекрытия для данного случая имеет наименьшее значение из рассмотренных выше способов расположения электродов и твёрдого диэлектрика. Для разрядов по поверхности сохраняется общая закономерность, чем выше степень неравномерности поля, тем ниже UР. Корона возникает в местах повышенной Е, переходит в искровой разряд, так называемый скользящий разряд. Нормальная составляющая ЕN прижимает эти разряды к поверхности, вызывая ее разогрев, термическую ионизацию с разрушением изоляции, образованием проводящего канала и дальнейшим развитием до перекрытия. Напряжение появления скользящих разрядов может быть определено по формуле : Uск = 1,36 · 104 · С- 0,44, где С – удельная поверхностная ёмкость. Соответственно разрядное напряжение: 𝒅𝑼 , скорость нарастания где S – расстояние между электродами 𝑑𝑡 напряжения. Повышение разрядного напряжения может быть достигнуто рациональным выбором формы изоляции (ЕN должно быть направлена от поверхности диэлектрика), увеличением пути разряда (ребра), улучшением поверхности 51 д.э. (глазирование, лак), ликвидацией мест концентрации Е (покрытие полупроводящими пастами, красками), увеличением толщины диэлектрика. Изоляторы, работающие на открытом воздухе при дожде, должны выполняться с сильно развитыми ребрами, так как смоченная поверхность обладает хорошей проводимостью, и все напряжение будет приложено к частям изолятора, оставшимся сухими. Большим недостатком изоляционных конструкций типа длинных изоляторов, штанг или гирлянд является неравномерное распределение напряжения по их длине, вызванное наличием ёмкости относительно провода. Установлено, что при 100% влажности (760 мм рт. ст., 20° С) с твердым диэлектриком 2 в форме цилиндра (рис. 1.а), помещенным в однородном поле, показали, что среднее значение разрядного напряжения по поверхности (с учетом разброса) практически совпадает с пробивным напряжением воздуха для электродов стержень-плоскость. В неоднородном поле для развития скользящего разряда решающую роль играет характер распределения напряженности электрического поля; вызываемые ею ионизационные процессы, очевидно, должны начаться у электрода с малым радиусом кривизны (острого края, канта и т. п). Наиболее благоприятные условия для развития скользящего разряда представлены схемой рис. 20 б, из рассмотрения которой возможно установить последовательность фаз развития разряда и основные его закономерности. Схема замещения такого расположения представлена на рис. 23. Рис. 23. Электрическая схема замещения расположения электродов, Между электродами А и В расположен плоский диэлектрик, характеризуемый удельной емкостью с, отнесенной к единице его поверхности, удельным объемным сопротивлением утечки ρ, шунтирующим емкость с, и комплексным удельным сопротивлением z1, z2,.., z n по поверхности, рассчитанным на единицу длины полоски L шириной в 1 см. В качественном диэлектрике ρ обычно существенно выше [z], вследствие загрязнений поверхности, конденсации влаги и т. п. Наиболее неблагоприятные обстоятельства для работы изоляции по этой схеме возникают при изменяющемся напряжении - переменном и импульсном, так как преобладающее влияние на развитие скользящего разряда окажут процессы в емкостях. При переменном напряжении на электродах А и В в цепи возникает ток, протекающий через все элементарные емкости С. В цепочке сопротивлений z1, z2,.., z n происходит падение напряжения, постепенно нарастающее по мере приближения к краю 52 электрода А; там возникнут высокие напряженности поля и могут начаться ионизационные процессы. Рассмотрение схемы рис. 23 позволяет сделать следующий вывод: чем больше емкости С и чем меньше сопротивления утечки ρ, тем больше ток, протекающий через цепочку параллельно включенных ячеек (Сk, Рk), тем большим будет падение напряжения на сопротивлениях z1, z2,.., z n ; ионизация в воздухе близ электрода А начнется уже при относительно малом напряжении, приложенном к электродам. Изменяя величину сопротивления z1, z2,.., z n , можно влиять на распределение напряжения вдоль поверхности диэлектрика и, в частности, повысить равномерность его распределения, если выполнить условие z1 < z2 <…< z n . Это условие повышения напряжения начала ионизационных процессов и скользящих разрядов по поверхности твердых диэлектриков можно осуществить, нанося на поверхность диэлектрика слои полупроводящих лаков разной проводимости, полупроводящие покрытия применяются в ряде высоковольтных конструкций, например, в изоляции статорных стержней электрических машин. Визуальное наблюдение развития разряда по поверхности позволяет отметить следующие его фазы: при начальном напряжении у края электрода А возникает свечение в форме коротких прямых параллельных и плотно расположенных светящихся нитей-штрихов - при положительном полупериоде и в форме узкой светящейся полосы - при отрицательном полупериоде напряжения. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя по поверхности диэлектрика начинают прорываться неустойчивые искры, длина которых быстро увеличивается с ростом напряжения; в пределе искра по поверхности перекрывает всю длину диэлектрика, дает эффект короткого замыкания и переходит, при достаточной мощности источника энергии, в дуговой разряд. Как первая, так и вторая стадии развития скользящего разряда могут повредить поверхность диэлектрика: искра скользящего разряда, имея высокую температуру канала, обжигает диэлектрик, оставляет на нем след. Особенно опасен такой разряд для диэлектриков органического происхождения, так как после прекращения разряда на пути искры остается обугленный след с повышенной проводимостью. Начальная стадия разряда также повреждает поверхность диэлектрика, особенно при длительном воздействии напряжения (окисление, разложение и т. п.). Описанные выше устойчивые фазы разряда по поверхности можно наблюдать при расстояниях между электродами, превышающих некоторое минимальное, зависящее от толщины диэлектрика и его электрических характеристик. Это расстояние не превышает единиц сантиметра; при меньших расстояниях происходит полное перекрытие промежутка по достижении начального напряжения короны. При импульсных напряжениях со значительной величиной dU/dt явления скользящего разряда развиваются весьма интенсивно, причем решающее значение в этих процессах имеют емкостные токи. При длинах 53 искры скользящего разряда, превышающих 10 - 20 см, дальнейшее увеличение пути скользящего разряда в этих условиях дает относительно малые приращения разрядного напряжения. При постоянном напряжении удельные емкости не оказывают влияния на процесс развития скользящего разряда, зависящего лишь от схемы включения омических сопротивлений и их величин. Опыт показывает, что зависимость разрядных напряжений от расстояния по поверхности между электродами близка к зависимости пробивного напряжения воздушного промежутка в резко неоднородном поле. 15. Тепловые свойства электроизоляционных материалов. Нагрев диэлектрика в электрическом поле происходит вследствие того, что часть энергии электрического поля рассеивается и преобразуется в теплоту. Рассеиваемая за единицу времени энергия в диэлектрике, при воздействии на него электрического поля, называется диэлектрическими потерями. Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводности, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Чаще для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол δ будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ. Диэлектрические потери обусловлены тремя физическими процессами : 1 - электропроводностью; 2 - поляризацией; 3 - ионизацией. Данные физические процессы при анализе диэлектрических потерь считаются независимыми и для них справедлив принцип суперпозиции. 15.1. Потери, связанные со сквозной проводимостью наблюдаются у всех диэлектриков в любом их агрегатном состоянии как при постоянном напряжении, так и при переменном. Величина потерь полностью 54 определяется значениями объемной и поверхностной электропроводности и имеет наибольшие значения для ионизированных газов и полярных жидких диэлектриков. 15.2. Потери, обусловленные поляризацией, связаны с образованием и перемещением объемного заряда. При постоянном напряжении энергия рассеивается в диэлектрике только в процессе становления внешнего электрического поля. При переменном же напряжении энергия рассеивается непрерывно. Поэтому, потери в диэлектрике при переменном напряжении во много раз больше, чем при постоянном и растут с увеличением частоты напряжения и его величины. Потери, обусловленные структурной неоднородностью вещества, характерны для твердых и частично для жидких диэлектриков. Нарушение структуры материала и наличие слоев с разной диэлектрической проницаемостью облегчают образование объемного заряда и приводят к значительному росту электропроводности вещества. 15.3. Потери, обусловленные ионизацией характерны для твердых пористых материалов и жидких диэлектриков с газовыми включениями. При воздействии напряжения газовые включения ионизируются и образуется свободный объемный заряд. Любому электроизоляционному материалу можно поставить в соответствие эквивалентную схему замещения, отражающую физические процессе в диэлектрике поясняющую возникновение тепловых потерь. Схема замещения диэлектрика с потерями представлена на рисунке 24. Рис.24. Схема замещения диэлектрика с потерями Здесь ветвь содержащая RПР - имитирует потери, связанные с наличием тока проводимости, ветвь содержащая ёмкость C2 - геометрическую емкость, зависящую от размеров конденсатора и диэлектрической проницаемости изолирующего материала и учитывает потери на поляризацию, ветвь с элементами RАБС и САБС - учитывает потери на абсорбцию (ионизационные потери). в При воздействии переменного напряжения u = U М sin ω t неразветвленной части цепи протекает ток и здесь справедлив первый закон Кирхгофа • • • • I = I П Р +IС Г +I АБ С . 55 Он изменяется по закону i = I М sin(ϖ t + φ i ) = I М sin(ϖ t + π 2 − δ) . (см. векторную и временную диаграммы на рис. 25). Величину потерь в диэлектрике можно определить с помощью кулон - вольтовых характеристик, т.е. зависимостей Q=f (U). Тогда электрический заряд Q определяется выражением T I Q = ∫ idt = М ϖ T ∫ sin(ϖ t + π 2 − δ )dϖ t = Q М sin(ϖ t − δ ) , и имеет вид, показанный на рис. 25. Рис.25. Векторные и волновые диаграммы и кулон-вольтовая характеристика Мощность потерь Р определяется по формулам P=UI cosϕ = UIC tgδ = UI sinδ = U2ωC tgδ. Количество теплоты Q, которую электроизоляционный материал способен отвести за единицу времени через поверхность - S в окружающую среду, выражается формулой Q = σ S ( t - t0 ) , где σ - коэффициент теплопроводности, ВA м 2 гр aд ; t - температура ЭИМ, t0 - температура окружающей среды. Тепловой пробой электроизоляционного материала наступит при условии нарушения равновесия между выделяемой и отводимой теплотой. Из условия равновесия U2ωC tgδ = σ S ( t - t0 ) рассчитаем величину напряжения теплового пробоя: σ S (t − t 0 ) U= ω Ñ ⋅ tgσ Видно, что электрическая прочность в случае теплового пробоя зависит не только от физических свойств материала (относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, коэффициента теплопередачи), но и от температуры, частоты напряжения, площади поверхности электроизоляционного материала и его толщины. Для возникновения теплового пробоя необходимо определенное время, пока температура ЭИМ повысится до опасного уровня. Поэтому время 56 теплового пробоя несравнимо больше, чем при чисто электрическом пробое. Каждый электроизоляционный материал характеризуется определенной допустимой температурой применения. ГОСТ 8865-93 регламентирует девять классов теплостойкости изоляционных материалов. Каждому классу нагревостойкости соответствует определенная предельная температура. Обозначения классов с указанием предельных температур и ЭИМ приведены в таблице 1 Класс Y Предельная температура, 0С. 90 А Е В 105 120 130 F 155 Н 180 200 200 220 220 250 250 Таблица 1 Классы нагревостойкости изоляции по ГОСТ 8865-93 Электроизоляционные материалы, отнесенные к соответствующему классу. Непропитанные материалы органического происхождения (бумага, шелк, хлопок) и синтетические термопластичные материалы (полиэтилен, каучук, полихлорвинил). Пропитанные нефтяным маслом органические материалы Гетинакс, текстолит, эпоксидные смолы. Слоистые материалы на основе слюды, стеклянного и асбестового полотна, пропитанные меламиновыми смолами. Слюда и стекловолокно, пропитанные бакелитовой, эпоксидной и полиэфирной смолами. Слюда и стекловолокно, пропитанные кремнийорганическими лаками. Имидофлекс 292 представляет композиционный электроизоляционный материал, состоящий из стеклоткани, оклееной с двух сторон полиимидной пленкой ПМ-А. Компаунд ЭЛПЛАСТ–220 ИД Лента полиимидная композиционная ЛПМК-Т (л), ЛПМК-ТТ (л) ТУ 3491-03031885305-2005 представляют собой электроизоляционный материал, состоящий из полиимидной пленки склееной с одной или двух сторон со стеклотканью с помощью связующего вещества Слюда без связующих или со связующими стеклом - микалекс, стекло, асбест, фарфор и фторопласт Отнесение электроизоляционного материала к определённому классу нагревостойкости не означает, что его нельзя использовать при более высокой температуре. Обычно это возможно, но срок службы при этом существенно уменьшается. Согласно приведённой формуле, срок службы ЭИМ уменьшается вдвое при увеличении температуры сверх предельной нормы на 7 – 10 0С. Разделение электроизоляционных материалов на классы нагревостойкости уже выполнило свою задачу. В настоящее время вводится более удобная характеристика нагревостойкости ЭИМ с помощью температурного индекса и профиля нагревостойкости. Температурный индекс (ТИ) – это число, значение которого равно температуре в 0С, когда срок службы изоляции составляет 20 000 часов. 57 Профиль нагревостойкости – это показатель, состоящий из двух чисел, значения которых равны температурам, когда сроки службы равны 5000 и 20 000 часов, и третьего числа, представляющего собой температуру, соответствующую нижней границе 95%-ной доверительной вероятности для срока службы 5000 часов. Классы нагревостойкости остаются на будущее только для электрических машин и другого электрооборудования как конструкции в целом. 16. Старение электрической изоляции. Под старением электроизоляционных материалов понимают комплекс физических и химических процессов, вызывающих постепенное ухудшение характеристик изоляции. Последовательность и взаимосвязь процессов, обуславливающих электрическое старение и пробой электроизоляционных материалов можно представить следующей схемой: Влага загрязнение Рабочее напряжение Тряска, Вибрация Внешняя температура Механические напряжения Сквозные токи Микротрещины Тепло Частичные разряды Окислительные реакции Увеличение носителей заряда Дендриды Пробой Рис.26. Схема старения изоляции 58 При воздействии на электроизоляционный материал электрического напряжения через него протекают токи: ток утечки, емкостной и ток абсорбции. В результате в объеме материала выделяется тепло, а это ведет к образованию в материале кислородосодержащих соединений, то есть происходит окислительная реакция, и в результате увеличивается количество носителей заряда. Кроме того, электрическое поле искажает внутренние потенциальные барьеры и, тем самым, создает механические напряжения внутри электроизоляционного материала, и при неудачном стечении обстоятельств образуются микротрещины. Образование микротрещин приводит к увеличению концентрации носителей заряда в этих местах, а, следовательно, растет число разорванных молекулярных связей, что ведет к дальнейшему росту количества и размеров микротрещин. Образовавшиеся микротрещины приводят к развитию дендритов. Дендриты представляют собою ветвистые, заполненные газом каналы, диаметром от одного до сотни мкм. Эти явления сопровождаются частичными разрядами (ЧР) с током, величиной порядка 10-9А. Действие ЧР многообразно, но основным является преобразование энергии электрического поля в тепловую и кинетическую энергии электронов и ионов. Постепенно дендриты прорастают от одного электрода к другому и наступает пробой электроизоляционного материала. Возникновение частичных разрядов соответствует развитию таких разрядных процессов в изоляции, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Они возникают в ослабленных местах изоляции: в газовых включениях, в местах резного усиления напряженности поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как они возникают при меньших напряжениях, чем разряды в жидких или твердых компонентах твердой изоляции. Последнее обстоятельство связано с меньшей диэлектрической проницаемостью газового промежутка и соответственно большей напряженностью электрического поля в нем, а также с малой электрической прочностью газа по сравнению с твердой или жидкой изоляцией. Закономерности развития частичных разрядов можно проиллюстрировать схемой замещения, изображенной на рис. 27, где изображен газовый пузырь в твердой изоляции и схема замещения изоляции. Рис. 27. Схема развития частичных разрядов в газовом включении. На рис. 27 Cв - емкость газового включения, Ст - емкость части изоляции, включенной последовательно с газовым включением, Ca - емкость оставшегося массива изоляции. При подаче на изоляцию переменного напряжения на 59 воздушном включении также будет изменяющееся во времени напряжение, определяемое емкостным делителем: С Uв = U × Т , С Т +СВ и при достижении этим напряжением пробивного напряжения газового включения Uв-пр происходит пробой газового включения с резким снижением напряжения на нем до уровня напряжения гашения Uв-г , которое меньше пробивного напряжения. После этого, если напряжение на всей изоляции продолжает возрастать, то снова начинается рост напряжения и на газовом включении и может произойти новый пробой, то есть в газовом включении происходят многократные пробои промежутка. Графическое изображение зависимости напряжений от времени показаны на рис. 28 при условии подачи напряжения в нулевой момент времени. Рис. 28. Графическое изображение зависимости напряжений от времени На рисунке представлены:  u - напряжение приложенное к изоляционному материалу;  uв – напряжение воздействующее на газовое включение;  U в-пр - напряжение соответствующее пробою газового включения;  U в-г – напряжение гашения дуги газового включения. Эффективным средством борьбы с частичными разрядами является пропитка изоляции. Замена воздуха жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε r>1 увеличивает емкость Cв , снижая напряжение на воздушном включении; кроме того, электрическая прочность жидкого диэлектрика существенно больше электрической прочности газа. Скорость старения изоляции зависит от продолжительности действия напряжения. Установлено, что электрическая прочность, полученная при кратковременном действии напряжения, значительно выше, чем электрическая прчность, полученная при длительном рабочем режиме. Типичная зависимость пробивного напряжения от длительности действия напряжения приведена на рис. 29 . 60 Рис. 29 Типичная зависимость пробивного напряжения от длительности действия напряжения Из рис.29 видно, что чем выше напряжение, тем меньше время до пробоя электрической изоляции. Следовательно, можно сделать вывод, что кратковременно изоляцию можно использовать и при повышенном напряжении без опасности ее пробоя, но для длительных режимов необходимо выбирать рабочее напряжение существенно меньшим и так, чтобы оставался еще определенный запас по электрической прочности. Знание зависимости пробивного напряжения от длительности действия напряжения для практики ценно тем, что эти данные можно экстраполировать за пределы полученных опытных наблюдений. Такие важные эксплуатационные факторы как нагрев, уровень и время воздействия напряжения, обычно действуют на электрическую изоляцию одновременно и взаимно усиливают свое действие. Не все электроизоляционные материалы подвержены старению в одинаковой степени. Некоторые неорганические электроизоляционные материалы практически не стареют, а все органические материалы подвержены старению. Отдельные характеристики электроизоляционных материалов, склонных к старению, не одинаково чувствительны к этому явлению. Решающим показателем является тот, который раньше других изменяет свои свойства до недопустимого уровня. Чаще всего таким показателем является электрическая прочность ЭИМ. Поэтому для характеристики процесса старения используются “кривые продолжительности жизни” изоляции (рис. 30). Рис.30 Кривые продолжительности жизни изоляции В процессе длительной эксплуатации происходит старение изоляции, которое выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности и ухудшении других электрофизических характеристик изоляции. 61 Причинами ухудшения внешней изоляции главным образом являются загрязнения поверхности изоляторов, которые особенно заметно проявляются при увлажнении. Основными причинами ухудшения внутренней изоляции являются: − электрическое старение вследствие развития частичных разрядов при перенапряжениях или при рабочем напряжении; − тепловое старение и окисление изоляции; − увлажнение изоляции. Кроме того, немаловажное значение имеют механическое старение и повреждение под влиянием электролитических процессов, особенно под постоянным напряжением. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что может привести к развитию теплового пробоя. Однако во многих случаях основной причиной старения изоляции являются частичные разряды (ЧР). При этом разрушения в твердом диэлектрике связаны с эрозией материала, структурными изменениями и разложением вещества, образованием газа и углеродистых включений. В итоге снижается его пробивное напряжение и растет tgδ. Старение изоляции, пропитанной жидкими диэлектриками, прежде всего, проявляется в разрушении и изменении физико-химических характеристик пропитывающего состава, которое сопровождается выделением газа, увеличением tgδ. В последующем возникают разрушения твердой фазы. Газовыделение пропитывающего состава зависит от его химического состава. Нефтяные масла - трансформаторное, конденсаторное, кабельное представляют собой смесь неполярных жидких углеводородов трех основных типов: нафтеновых (СnН2n), парафиновых (СnН2n+2) и ароматических (СnН2n-m). Химический состав нефтяных масел зависит от месторождения исходной нефти и процесса химической очистки. ..Ароматические углеводороды по сравнению с нафтено-парафиновыми вследствие наличия двойных связей между атомами углерода в молекуле обладают большей стойкостью как против окисления, так и против разложения в электрическом поле. С другой стороны, наличие ароматических фракций приводит к росту tgδ в процессе окисления, поэтому для каждого сорта масла устанавливают оптимальное соотношение между нафтеновыми и ароматическими углеводородами. Значительно более стойкими, чем нефтяное масло, являются хлорированные жидкие диэлектрики (трихлордифенил), фенилксилилэтан и др., а также касторовое масло. Газостойкость жидких диэлектриков может быть охарактеризована коэффициентом Вг, показывающим количество газа, выделяющегося под воздействием частичных разрядов с энергией 1 Дж. Например, для различных нефтяных масел значение Вг колеблется от 10-4 до 103 см3/Дж. 62 16.1. Дугостойкость электроизоляционных материалов. Под дугостойкостью понимают способность электроизоляционного материала длительно противостоять воздействию электрической дуги, сохраняя в заданных пределах свои характеристики или восстанавливая часть их через короткое время после прекращения действия дуги. Под воздействием электрической дуги происходит частичное разрушение материала и изменение его характеристик, при этом увеличиваются поверхностная электрическая проводимость и частичное прогорание электроизоляционного материала. Стойкость материала к действию электрической дуги переменного напряжения определяют на установке, схема которой показана на рис. 31. Рис.31 Принципиальная схема для определения стойкости электроизоляционного материала к воздействию электрической дуги. Источником высокого напряжения служит трансформатор с напряжением во вторичной цепи 12,5 кВ. Это напряжение с помощью электродов, находящихся под углом 300 к горизонтальной поверхности, подводится к испытуемому образцу ИО. Величина напряжения измеряется электростатическим вольтметром - V, а ток электрической дуги - амперметром А. Ток в первичной обмотке трансформатора регулируется с помощью резисторов R1-R10, которые включаются в определенной последовательности коммутационным устройством - S. При замкнутом контакте К1 резистором R1 устанавливают ток дуги 10 мА, при замыкании контакта К2 резистором R2 устанавливают ток 20 мА. Аналогично резисторами R3-R10 устанавливают токи остальных ступеней, значение напряжения при этом поддерживают неизменным. Выдержка времени на каждой ступени 60 с. Испытания прекращают в момент образования в материале токопроводящей перемычки, которую обнаруживают по свечению поверхности образца под электродами. Или при плавлении, а также при воспламенении материала под воздействием электрической дуги. За результат отдельного испытания принимают суммарное время в секундах от начала испытания до момента образования токопроводящей перемычки. 63 17 Изоляторы и изоляция электрооборудования. Изоляторами называют электротехнические изделия, предназначенные для механического крепления токоведущих элементов электроустановки и изолирования их друг относительно друга и относительно земли. то есть для предотвращения протекания электрического тока между ними. По расположению токоведущей части различают опорные, проходные и линейные изоляторы, назначение которых определяются соответственно их названиям. По конструктивному исполнению линейные изоляторы делятся на тарельчатые (изоляционная часть в форме тарелки), стержневые (изоляционная часть в виде стержня или цилиндра) и штыревые (изолятор имеет металлический штырь, несущий основную механическую нагрузку). Линейные изоляторы тарельчатого типа используются для подвески проводов контактной сети, на воздушных ЛЭП 35 кВ и выше, линий автоблокировки и высоковольтных питающих линии ДПР. Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением необходимого числа изоляторов в гирлянду. Изоляторы гирлянды благодаря шарнирному соединению работают только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие создает в изоляционном материале в основном напряжения сжатия. Конструкция изолятора представлена на рисунке 32. Рис.32 Конструкции подвесных тарельчатых изоляторов: а – из закаленного стекла с конусной заделкой деталей; б – из фарфора с «арочной» заделкой деталей; 1 – стержень; 2 – изоляционная деталь; 3 – шапка; 4 – цементная заделка; 5 – замок; 6 – герметик. Штыревые изоляторы (Рисунок 33) применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность. В установках напряжением 110 кВ и выше используются колонки, состоящие из нескольких, установленных друг на друга опорно-штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. В обозначение изоляторов введена буква Ш (штыревой).Штыревые линейные изоляторы применяются на напряжения 6-10 кВ. Обозначение ШФ6 означает: штыревой фарфоровый на 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный. 64 Рис. 33. Линейные штыревые изоляторы: а – фарфоровый ШФ-10Г; б – стеклянный НС 18А Стержневые изоляторы (Рисунок 34) наружной установки отличаются большим количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для увеличения длины пути тока утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загрязнений. Обозначение, например, ОСН-35-2000 расшифровывается следующим образом: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 Н. Рис. 34 Стержневые изоляторы Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций РУ и аппаратов. Проходные изоляторы, предназначенные для наружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения. Обозначение проходного изолятора содержит значение номинального тока, например ПНШ-35/3000-2000 означает: проходной, наружной установки, шинный на напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН. Опорный изолятор предназначен для крепления токоведущих частей в электрических аппаратах, распределительных устройствах электрических станций и подстанций, комплектных распределительных устройствах. По конструкции представляет собой деталь из изоляционного материала цилиндрической или конической формы, внутрь которой заделана металлическая арматура с резьбовыми отверстиями для крепления шин и монтажа изолятора. Для повышения рабочего (разрядного) напряжения изолятора на его боковой поверхности предусматриваются рёбра, увеличивающие длину пути поверхностного тока утечки. Изолятор состоит из электроизоляционного материала, металлической арматуры и связующего материала. Электроизоляционные материалы из которых изготавливаются изоляторы должны иметь высокую электрическую прочность, высокую механическую прочность и хорошо противостоять неблагоприятным атмосферным условиям. 65 При эксплуатации изоляторы подвержены различным воздействиям: механическим нагрузкам (за счёт собственного веса изоляторов гирлянды, подвешенных проводов, гололёда, ветра, снега, перепада температур, и динамических нагрузок); электрическим воздействиям: электрического рабочего напряжения и перенапряжений (особенно в грозовой период); загрязнениям специфического состава. Вблизи полотна железнодорожного пути воздух загрязняется пылью, переносимой с полотна, частицами сыпучих грузов, уносимых с открытого подвижного состава при движении поезда, пылью, образуемой в результате износа деталей подвижного состава и пути, песком, применяемым для увеличения коэффициента сцепления колёс с рельсами. Загрязнению изоляторов способствует увлажнение их туманом, мокрым снегом, моросящим дождём, особенно при направлении ветра с моря. Надёжную работу систем электроснабжения обеспечивают изоляторы из фарфора и стекла. В последнее время в качестве материала для изоляторов начали использовать различные полимерные материалы. Учитывая, что при эксплуатации изоляторы подвержены многочисленным неблагоприятным воздействиям, к ним предъявляют очень жёсткие требования по механической и электрической прочности к атмосферным воздействиям. Изоляторы должны обладать стойкостью к термоударам, а также гладкой поверхностью без трещин, сколов, инородных включений. Удовлетворить этим требованиям, а следовательно, обеспечить надёжность работы электроустановки можно только при строго регламентированном технологическом процессе производства изоляторов. 17. 1. Общая схема технологического процесса производства изоляторов. Приготовление исходных керамических масс Формовка изделий Сушка Глазурирование Обжиг Армирование 66 Для изготовления фарфора используют специальный сорт глины каолин (светлая высококачественная глина большой чистоты) и минералы: кварцевый песок, полевой шпат. Для изготовления стекла используют большее число сырьевых материалов: кварцевый песок, полевой шпат, соду, поташ, известняк, доломит, сульфат натрия, буру, борную кислоту, сурик и каолин. Исходные материалы сушат, перемалывают, просеивают, отдельные фракции взвешивают и перемешивают. При нагревании шихты из неё вначале испаряется влага, затем происходит разложение материалов, при этом газы улетучиваются и образуются сложные химические соединения. Постепенно температуру снижают, в результате чего образуется расплавленная вязкая масса. Из расплавленной массы путём горячего прессования получают изделия определённой конфигурации. Отформованные фарфоровые изделия для удаления избытка воды с ушат, а затем глазуруют. Глазурь – масса из стеклообразующих компонентов (глины, каолина и красителей) _ наносится в виде водной суспензии тонким слоем на поверхность фарфорового изделия, При обжиге (под обжигом мы понимаем операцию подготовки материала к последующему переделу, заключающуюся в нагреве до определённой температуры), глазурь расплавляется и покрывает поверхность фарфоровой заготовки гладким блестящим и ровным слоем. Она плотно соединяется с фарфором и защищает его от проникновения влаги, улучшает внешний вид, увеличивает механическую прочность, стойкость к термоударам, уменьшает поверхностный ток утечки, увеличивает напряжение перекрытия. Глазурь должна иметь температурный коэффициент линейного расширения α, близкий к α фарфора, так как в противном случае при изменении температуры будут возникать мелкие трещины. Обжиг фарфоровых изоляторов в зависимости от их массы и размеров длится от 20 до 70 часов. Обжиг при максимальной температуре (1300 – 1350 0С) непродолжителен , большее время требуется на постепенный подъём температуры во избежание повреждения изделий бурно выделяющимися водяными парами и газами и на медленное охлаждение изделий перед их извлечением из печи для недопущения возникновения механических напряжений и трещин. При обжиге из – за уплотнения структуры материала и испарения воды происходит усадка до 20%. Отпрессованные стеклодетали также проходят термообработку – отжиг и закалку. Отжиг – вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующим медленном охлаждении. Отжиг несколько снижает механическую прочность стекла, но с его помощью снижаются внутренние механические напряжения, образовавшиеся в стекле при быстром и неравномерном его остывании, и несколько ухудшаются электрические характеристики. Закалка стеклянных изделий значительно повышает их механическую прочность и стойкость к термоударам. Процесс закалки состоит из двух 67 этапов: нагревания до температуры 700 – 780 0С с выдержкой 5 – 10 минут (в зависимости от состава материала и его массы); охлаждения, которое должно быть произведено с максимальной скоростью и с наибольшей равномерностью. С этой целью применяют специальные коробчатые сопла, воспроизводящие очертания нижней (ребристой) и верхней (гладкой) поверхностей изолятора. Время закаливания 5 – 7 минут. Детали прошедшие закалку, поступают в печи для термоконтроля. Они нагреваются до температуры 150 – 250 0С (для малощелочного стекла температура выше) за 10 – 15 минут. В результате, если имелись внутренние напряжения, они усиливаются, что вызывает разрушение деталей. Завершающей технологической операцией электрокерамического производства является армирование изоляторов фланцами, шапками и стержнями. При армировании проходных изоляторов они снабжаются также токоведущими частями. Медными и алюминиевыми. Арматура изоляторов изготавливается из простого или ковкого чугуна или стали. При изоляции токоведущих частей с большими рабочими токами могут применяться немагнитный чугун или цветные металлы, исключающие чрезмерный нагрев арматуры изоляторов из – за перемагничивания. Армирование изоляторов, предназначенных для работы на промышленной частоте, производят с помощью цементной связки, приготовленной из портландского цемента тонкого помола и кварцевого песка. В процессе твердения цементное тесто превращается в цементный камень. Цементно-песочную связку защищают от проникновения влаги специальными полупроводящими лаками, которые одновременно снижают напряжённость электрического поля около пестика и шапки. С целью защиты металлических частей от коррозии их оцинковывают. Стержень, помещаемый во внутреннюю полость головки изолятора, покрывают раствором битума в бензине. В верхней части между оцинкованным стержнем и изоляционным материалом помещают прокладку из кирзы. Прокладка и битумное покрытие необходимы для компенсации разности температурных расширений электроизоляционного материала, металлической арматуры и скрепляющего вещества. Узел крепления изоляторов в гирлянду сконструирован шарнирным, поэтому при действии внешнего растягивающего усилия фарфор или стекло изолятора с конической головкой работают в основном на сжатие. 17.2 Механические и электрические характеристики изоляторов. Линейные подвесные изоляторы подвергаются только растягивающим нагрузкам. Величина нагрузки зависит от типа и сечения провода, длины пролёта между опорами, от температуры, силы ветра, наличия гололёда и вибрации проводов. Линейные штыревые, опорные и проходные подвергаются в основном нагрузкам на изгиб. Величины нагрузок зависят от силы натяжения проводов, ветровых усилий, электродинамических воздействий токов 68 короткого замыкания и усилий при включении и отключении коммутирующей аппаратуры. Эксплуатационные характеристики изоляторов зависят от аэродинамических характеристик изолирующей детали («тарелки») изолятора. Хорошее обтекание изолятора способствует уменьшению загрязнения, лучше происходит его самоочистка ветром и дождем и, как следствие, не происходит значительного снижения уровня изоляции гирлянды. Основные характеристики изолятора – его гарантированная механическая прочность на растяжение или изгиб. Гарантированная механическая прочность – это минимальная разрушающая нагрузка, определяемая при плавном увеличении её до видимого разрушения изолятора. У подвесных фарфоровых изоляторов повреждение фарфора под металлической шапкой не может быть обнаружено визуально. Поэтому подвесные изоляторы характеризуются электромеханической прочностью. Электромеханическая прочность – это минимальная разрушающая нагрузка, определяемая при плавном увеличении её до видимого разрушения изолятора и одновременным воздействии на изолятор напряжения, равного 75 – 80% от сухоразрядного. Основными электрическими характеристиками изоляторов являются разрядные напряжения, номинальное напряжение электроустановки для которой предназначен изолятор. К разрядным напряжениям изоляторов относят три напряжения перекрытия и одно пробивное напряжение: − сухоразрядное напряжение Uсхр - напряжение перекрытия чистого сухого изолятора при напряжении частотой 50 Гц (эффективное значение напряжения); − мокроразрядное напряжение Uмкр - напряжение перекрытия чистого изолятора, смоченного дождем, падающим под углом 45о к вертикали, при напряжении частотой 50 Гц (эффективное значение напряжения); − импульсное разрядное напряжение Uимп - пятидесятипроцентное напряжение перекрытия стандартными грозовыми импульсами (амплитуда импульса, при которой из десяти поданных на изолятор импульсов пять завершаются перекрытием, а оставшиеся пять не приводят к перекрытию); − пробивное напряжение Uпр - напряжение пробоя изоляционного тела изолятора на частоте 50 Гц, (редко используемая характеристика), поскольку пробой вызывает необратимый дефект изолятора и напряжение перекрытия должно быть меньше пробивного напряжения. 17.3 Распределение напряжения по гирлянде изоляторов. Основной причиной неодинаковых напряжений на изоляторах можно считать наличие паразитных емкостей металлических частей изоляторов по отношению к земле и кпроводу. В гирлянде можно различить три вида 69 емкостей: собственные емкости изоляторов C0 , емкости металлических частей по отношению к земле C1 и емкости по отношению к проводу C2. Порядок величин емкостей примерно таков: C0≈50 пФ, C1 ≈5 пФ, C2≈0.5 пФ. Рис. 35. Гирлянда изоляторов и схема замещения гирлянды. а – гирлянда; б – схема замещения. В первом приближении емкостью изоляторов по отношению к проводу можно пренебречь, и тогда схема замещения гирлянды сухих изоляторов выглядит как на рис. 35.б. При переменном напряжении по емкостным элементам протекает емкостный ток, и ток первого снизу изолятора разветвляется на ток емкостного элемента по отношению к земле и ток оставшейся части гирлянды. Через второй снизу изолятор течет емкостный ток меньшей величины, и падение напряжения максимально на нижнем, ближайшем к проводу изоляторе, который находится в наихудших условиях. При числе изоляторов больше трех-четырех минимальное напряжение приходится, не на самый верхний изолятор. Наличие емкостей C2 приводит к некоторому выравниванию неравномерности падений напряжения и минимальное напряжение оказывается на втором-третьем (или далее, в зависимости от числа изоляторов в гирлянде) изоляторе сверху. С увеличением числа изоляторов в гирлянде неравномерность возрастает. Если не принять специальных мер, то на ЛЭП высокого напряжения (220 кВ и выше) часть изоляторов в гирляндах может оказаться под таким напряжением, что на них даже при рабочем напряжении и нормальных атмосферных условиях возникнет корона. Коронный разряд представляет собой разновидность тлеющего разряда при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую и приводит к значительным потерям энергии. Кроме того корона является источником радио помех и причиной ускоренной коррозии арматуры изоляторов. Корона на изоляторе появляется при напряжении на нём около 25 – 30 кВ. Выравниванию распределения напряжения по изоляторам гирлянды способствует применение специальной арматуры в виде экранных колец, восьмёрок и овалов, укреплённых в месте крепления линейного провода. Такая защитная арматура увеличивает ёмкости С1 и тем самым уменьшает долю напряжения, на первые от провода изоляторы. Защитная арматура может играть и другую дополнительную роль – защиты изоляторов от термического разрушения при перекрытии гирлянды. Если гирлянда не имеет защитной 70 арматуры, то при воздействии перенапряжений электрическая дуга при длительном горении под действием рабочего напряжения сильно разогревает изолятор. Неравномерный нагрев изолятора приводит к его разрушению. Дополнительно для выравнивания напряжения гирлянды применяют следующие меры: - применение изоляторов с большей собственной ёмкостью; - использование параллельных гирлянд; - применение изоляторов с полупроводящим покрытием; - расщепление фазных проводов. 18. Испытание изоляции 18.1. Цель и классификация профилактических испытаний. Профилактические испытания - комплекс мероприятий, направленных на своевременное обнаружение дефектов в электрической изоляции. Основное назначение электрической изоляции – это не пропускать электрический ток по нежелательным путям, но, в процессе эксплуатации на изоляцию воздействует множество неблагоприятных факторов: тряска, вибрация, изменение температур, иногда в широком диапазоне, повышенные температуры, загрязнение, увлажнение, воздействие агрессивной пыли, электрического поля, как при рабочем напряжении, так и при перенапряжениях. Поэтому с течением времени изоляция постепенно теряет свои первоначальные свойства. Изоляция стареет, а возникшие дефекты настолько понижают ее электрическую прочность, что она может не выдержать не только коммутационных или атмосферных перенапряжений, но и номинального рабочего напряжения. Для наглядности объяснения физических процессов, происходящих в электрической изоляции при воздействии напряжения, представим изоляцию схемой замещения (рис. 36). Схема замещения содержит четыре ветви. Первая ветвь с активным сопротивлением R пр. характеризует потери в электрической изоляции при приложении как постоянного, так и переменного напряжения. Сопротивление изоляции R зависит от геометрических размеров изоляции, материала изоляции, температуры, увлажнения и загрязнения. Вторая ветвь, содержащая конденсатор С г., обладает геометрической емкостью. Геометрической емкость называется потому, что она зависит от геометрических размеров изоляции: ее толщины, площади и расположения между токоведущими частями. По этой ветви, при приложении постоянного напряжения, протекает емкостный ток только в момент становления напряжения, а при воздействии переменного напряжения он протекает непрерывно. Третья ветвь характеризует абсорбционные процессы. Ток абсорбции – I абс. пропорционален площади изоляции и обратно пропорционален ее толщине. Четвертая ветвь с искровым промежутком ИП 71 характеризует электрическую прочность изоляции, т.е. при какой величине напряжения происходит пробой изоляции и она разрушается под действием тока I”. I“ I пр. Ic R абс. Сг U I абс ЭИМ R пр. C абс. Рис.36 Схема замещения изоляции. Ток I пр., протекающий через эту ветвь, принято называть током утечки или сквозным током. Вторая ветвь, содержащая конденсатор С г., обладает геометрической емкостью. Геометрической емкость называется потому, что она зависит от геометрических размеров изоляции: ее толщины, площади и расположения между токоведущими частями. По этой ветви, при приложении постоянного напряжения, протекает емкостный ток только в момент становления напряжения, а при воздействии переменного напряжения он протекает непрерывно. Третья ветвь характеризует абсорбционные процессы. Ток абсорбции – I абс. пропорционален площади изоляции и обратно пропорционален ее толщине. Четвертая ветвь с искровым промежутком ИП характеризует электрическую прочность изоляции, т.е. при какой величине напряжения происходит пробой изоляции и она разрушается под действием тока I”. Такая схема замещения диэлектрика позволяет объяснить происходящие процессы в электрической изоляции при приложении к ней напряжения и установить параметры, контролируя которые, можно судить о качестве электроизоляционного материала, оценивать ее электрическую прочность или прогнозировать срок ее службы. Периодичность восстановительных ремонтов изоляции электрооборудования устанавливается на основе опыта эксплуатации, а объем и технология ремонта определяются характером образовавшихся дефектов. Как правило, дефекты не могут быть обнаружены путем визуального осмотра, для выявления их необходимо проводить определенные испытания, которые называют профилактическими. Целью профилактических испытаний изоляции является своевременное выявление развивающихся дефектов и недопущение повреждения изоляции в эксплуатации. Такие испытания сопровождаются контрольными измерениями параметров, характеризующих диэлектрические свойства изоляции. Они 72 позволяют получить объективные данные о состоянии изоляции, определить объем и технологию восстановительного ремонта. Постоянные контрольные испытания электрической изоляции сокращают число повреждений оборудования в процессе эксплуатации. Кроме того, при проведении таких контрольных испытаний, можно изучать физические особенности и анализировать причины появления дефектов в изоляции. Для выявления дефектов изоляции в эксплуатации служат профилактические и послеремонтные испытания. Профилактические испытания изоляции проводятся систематически, что позволяет систематически осуществить постоянный контроль за ее состоянием. В последние годы все более широкое распространение приобретают методы контроля изоляции без снятия рабочего напряжения. Такая система профилактики оборудования имеет существенные преимущества по сравнению с контролем со снятием напряжения. Повышаются надежность и экономичность работы энергосистемы за счет отказа от вывода оборудования из работы, сокращения объема оперативных переключений. Решается проблема оптимизации периодичности испытаний, так как открывается практическая возможность выбора любой периодичности в зависимости от фактического состояния оборудования и скорости развития дефекта. Появляется возможность при необходимости перехода в пределе к непрерывному или даже автоматическому контролю. Профилактические испытания подразделяются на два вида: неразрушающие и испытания изоляции повышенным напряжением. Для конкретного оборудования и конкретных условий его эксплуатации применяются и специальные методы испытаний: импульсные испытания изоляции контактной сети, испытания электрических кабелей, контроль распределения напряжения по изоляторам гирлянды. К неразрушающим методам профилактических испытаний относятся: − Контроль сопротивления изоляции; − Контроль влажности изоляции; − Контроль тока утечки; − Метод, основанный на искажении формы кривой тока утечки; − Контроль тангенса угла диэлектрических потерь; − Метод частичных разрядов; − Метод измерения скорости спада тока заряда. К методам испытания изоляции повышенным напряжением относятся: − Испытание изоляции повышенным переменным напряжением − Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением; − Испытание изоляции повышенным импульсным напряжением. В условиях эксплуатации неразрушающие методы испытания, конечно же, являются предпочтительными, так как они проводятся при воздействии на изоляцию напряжения, по величине не превышающего максимального амплитудного рабочего напряжения. При таких испытаниях исключается 73 возможность пробоя ослабленной электрической изоляции в отличие от испытаний изоляции повышенным напряжением. 18.2 Контроль сопротивления изоляции. На ремонтных заводах и в локомотивных депо за абсолютный критерий состояния изоляции тяговых двигателей принимают сопротивление изоляции – Rиз. Этот метод является наиболее простым и распространенным способом проверки состояния и изоляции электрических кабелей. Сопротивление изоляции измеряется с помощью мегомметров: электромеханических, электронных или мегомметров с цифровым отсчетом. Данные о некоторых мегомметрах приведены в таблице 2. Таблица 2. Тип прибора Номинальное напряжение, В Пределы измерения кОм; МОм М 4100 / 1 100 0 – 200 0 – 20 М 4100 / 2 250 0 – 500 0 – 50 М 4100 / 3 500 0 – 1000 0 – 100 М 4100 / 4 1000 0 – 1000 0 – 200 М 4100 / 5 2500 0 – 2000 0 – 1000 Ф 4101 100 0 - 2000 Ф 4101 500 0 - 10 000 Ф 4101 1000 0 - 20 000 Ф 4102/1 – 1М 100; 250; 500 0 – 20 000 Ф 4102/2 – 1М 1000; 2500 0 – 50 000 ЭC0202/2Г;ЭC 500; 1000; 2500 0 – 10 000 210/2ЭС; 0210/2Г С.А 6521/6523/6525 ISOL 5000N G-4 250; 500; 1000 до 5000 0 - 2 ГОм 10-30 000 кОм; 30-30 000 МОм; 3-3000 ГОм Для испытания подвесной и опорной изоляции применяются мегомметры на напряжение 5 000 Вольт. Сопротивление изоляции проверяется перед началом эксплуатации электрической установки и 74 периодически в течение всего срока службы. Схемы для измерения мегомметром сопротивления изоляции кабеля показаны на рисунке 37. Рис. 37 Принципиальные схемы включения мегомметра для измерения сопротивления изоляции кабеля. а) – пути прохождения сквозного и поверхностного токов по изоляции; б) – схема измерения сопротивления изоляции между токоведущей жилой и землей; в) – схема для измерения сопротивления междуфазной изоляции. Перед измерением сопротивления изоляции необходимо проверить исправность мегомметра: при замкнутых накоротко зажимах Л и З при подаче напряжения стрелка прибора должна показывать 0, а при разомкнутых – бесконечность. Соединительные высоковольтные провода необходимо располагать на весу с целью исключения шунтирования изоляции кабеля. Электротехнические правила требуют производить испытания изоляции установки под рабочим напряжением. Величина сопротивления изоляции электрических машин при нормальной рабочей температуре, должна быть не ниже значения, полученного по формуле: Rиз = U Р 1000 + 100 , МОм, где U - номинальное напряжение, В; Р - мощность машины, кВт. ПТЭ требуют, чтобы сопротивление изоляции обмоток электрических двигателей было не ниже 1 МОм на 1 кВ рабочего напряжения. ДОСТОИНСТВАМИ измерения сопротивления изоляции мегомметром являются: - простота метода, - способность выявления грубых дефектов в электрической изоляции типа металлических замыканий, - отражение состояния увлажнения изоляции; НЕДОСТАТКАМИ данного метода можно отметить следующие: - величина сопротивления изоляции зависит от температуры, увлажнения, мощности и напряжения электрических машин; -не существует однозначной зависимости между Rиз и её электрической прочностью, так как применяемое при измерениях напряжение мегомметра недостаточно для обнаружения локальных дефектов; 75 - абсолютное значение Rиз очень и очень мало характеризует состояние изоляции. Высокое значение сопротивления изоляции не всегда соответствует высокому качеству изоляции, так как в многослойной изоляции, даже при необратимых структурных изменениях слоев, ток сквозной проводимости весьма мал. При этом несквозное увлажнение изоляции может даже повысить величину сопротивления, потому что при относительно малом токе проводимости ток абсорбции спадает быстрее, чем у новой, пригодной и сухой изоляции. Большая величина сопротивления может быть получена и для частично непригодной изоляции, если она находится в достаточно сухом состоянии. Следовательно, сопротивление изоляции не может быть принято за критерий состояния изоляции из-за отсутствия информации о структурных изменениях, из-за зависимости сопротивления изоляции от влажности изоляции, ее загрязнения, механических повреждений, теплового старения, качества пропитки, температуры, монолитности изоляции и величины приложенного к ней напряжения. Снижение сопротивления изоляции, обнаруженное с помощью мегомметра, не дает ответа на вопрос о причине снижения сопротивления изоляции. При контроле изоляции, вместо фиксирования абсолютных величин сопротивления изоляции, целесообразно проводить сравнение с данными предыдущего измерения, и если уменьшение сопротивления изоляции превосходит 25%, то изоляцию следует считать поврежденной. Этот вид испытаний следует рассматривать не как профилактическое испытание, а лишь как контрольное испытание перед включением электрического оборудования в работу, имеющее целью проверить отсутствие случайного замыкания обмотки на корпус. 18.3 Контроль влажности изоляции Многие изоляционные структуры состоят из ряда слоев, имеющих различные диэлектрические характеристики. Их модель может быть представлена в виде двух слоев с разными удельными сопротивлениями ρ ν и диэлектрическими проницаемостями ε (рис. .38 а). Примером может являться бумажная изоляция, пропитанная жидким диэлектриком. Увлажнение изоляции может привести к изменению удельной проводимости и диэлектрической проницаемости увлажненного слоя. Схема замещения двухслойного диэлектрика представлена на рис. 38 б,в. 76 Рис.38 Двухслойный диэлектрик (а) и схемы замещения (б, в) Для этой схемы сопротивления и емкости каждого слоя изоляции соответственно равны: pv 1 d 1 ; S ε 1S ; C1 = d1 pv 2 d 2 ; S ε 2S , C2 = d2 R2 = R1 = где d1 и d2 - толщины слоев, а S – площадь электродов. При длительном приложении постоянного напряжения U и ρ ν1 ε 1 ≠ ρ ν2 ε 2 на границе раздела двух слоев образуется абсорбционный заряд qабс = U 1C 1 − U 2C 2 = U R1C 1 − R 2C 2 R1 + R 2 , где U1 и U2 - напряжение на слоях. Эквивалентная схема рис. 3 б может быть преобразована в схему рис. 3.в., для которой R = R1 + R 2 и Сг = С 1С 2 , С1 + С 2 где R – сопротивление изоляции, Сг - геометрическая емкость изоляции; - дополнительное увеличение емкости, связанное с накоплением ∆С абсорбционного заряда q с постоянной времени τ = r∆С . Из условия равенства полных сопротивлений схем рис. 3 б и в, имеем: абс абс абс r= абс R1R2 ( R1 + R2 )(C1 + C2 ) 2 ; ( R1C1 − R2C2 ) 2 ∆Cабс = ( R1C1 − R2C2 ) 2 . ( R1 + R2 ) 2 (C1 + C2 ) Если распределение напряжения по слоям изоляции при переменном (обратно пропорционально емкостям) и постоянном (пропорционально сопротивлениям) напряжении совпадает, т. е. ρ ν1 ε 1= ρ ν2 ε 2 или R C = R C , то абсорбционный заряд q равен нулю. При этом r = ∞ и ∆C = 0 . Если изоляция неоднородна, т. е. ρ ν1 ε 1 ≠ ρ ν2 ε 2 то при приложении постоянного напряжения ток, проходящий через изоляцию без учета кратковременного импульса тока, связанного с зарядом геометрической емкости С г, определяется выражением: 1 абс 1 2 2 абс 77 i= U U − t τ абс , + e R r R1 R 2(C 1 + C 2) . R1 + R 2 В этом выражении U/R=iуст –установившийся (сквозной) ток утечки через изоляцию и (U/r)exp(-t/ τ абс) – ток абсорбции. Сопротивление изоляции R U R(t ) = = . i (t ) 1 + R e − t τ абс r Для оценки состояния изоляции производится измерение сопротивления изоляции через 15 и через 60 с (R15 и R60) после включения постоянного напряжения. По отношению сопротивлений, измеренных через 15 и 60 с (или 1 и 10 мин) после подачи напряжения, можно судить о состоянии изоляции. Критерий R60/ R15 является показателем степени увлажнения изоляции при температурах ниже 35…40о С. С ростом температуры ток сквозной проводимости сильно возрастает и соотношения R60/ R15 и для сухой и для влажной изоляции приближаются к единице. В практике эксплуатации измерения сопротивления изоляции производятся мегомметрами на напряжение 0,5…2,5 кВ. Опытным путем установлено, что при допустимом увлажнении изоляции (R60/ R15)>1,3. где τабс = r∆Cабс = Оценка состояния изоляции может производиться также по зависимости емкости от частоты переменного напряжения. На основании схемы рис. 3 в, полная проводимость изоляции при переменном напряжении с частотой f = ω /2 π : Y=  ∆Сабс  1 r (ω∆Cабс ) 2 1 1 . + jω Cг + = + + j ωC г + 2 2 1 + + ( ) ( ) 1 1 R R ωτ ωτ абс абс   r− j ω∆Cабс соответственно имеем: С (ω ) = С г + ∆С абс 1 + (ωτ абс ) 2 . Тогда следует , что с ростом степени увлажнения и ростом ∆С возрастает изменение емкости С( ω ) при изменении частоты f . Обычно для оценки состояния изоляции производится измерение емкости при двух частотах: f1 = 2Гц и f2 = 50Гц при неизменной температуре, затем определяется значение С2 / С50, которое и служит показателем качества изоляции. На основании опыта установлено, что изоляция недопустима увлажнена, если С2/С50>1,3. Для измерения емкостей используется прибор, принципиальная схема которого в упрощенном виде показана на рис.39. абс 78 Рис. 39 Схема измерения емкости изоляции при разных частотах. Переключатель SA периодически подключает испытуемую изоляцию к источнику постоянного напряжения, и Сх заряжается, а затем- к цепи с гальванометром РА, и Сх разряжается. Измерения проводятся при частотах переключения 2 и 50Гц, поэтому С2 I 2 50 = . С 50 I 50 2 18.4 Метод, основанный на искажении формы кривой тока. В основу метода положено представление о том, что ток сквозь изоляцию имеет две составляющие: активную и емкостную. При низких напряжениях, когда число свободных зарядов в изоляции мало, ток сквозь изоляцию представляет собою ток сквозь емкость, т.е. через изоляцию протекает практически ic (рис. 5.а). При более высоких напряжениях начинается разрушение нейтральных частиц диэлектрика, повышается число свободных зарядов, в связи с чем растет активная составляющая тока (рис. 5.б). При пробое сквозь изоляцию протекает только активный ток (Рис. 5.в). Наблюдая кривую тока на экране осциллографа (емкостную и активную) можно получить зависимость I = f(U), (рис. 6). Сняв такие зависимости вплоть до напряжений, при которых пробивается изоляция, можно получить значение коэффициента К: I K= c Ia Сопоставляя зависимость К = f(U) между собою, определяется К, при которых пробивается изоляция у большинства испытуемых образцов изоляции, а затем используется для определения пробивного напряжения U пр. - без пробоя изоляции. Такое прогнозирование возможно с применением синусоидального, выпрямленного однополупериодного и импульсного напряжений. Характерные осциллограммы приведены на рис. 40. 79 u а) u (t) i (t) t u б) i (t) t u (t) u в) u (t) i (t) i (t) t t Рис. 40 80 U I Рис. 41 Зависимость сквозного тока от напряжения. 18.5 Контроль тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) Старение диэлектрика сопровождается ростом диэлектрических потерь, которое может обнаружено путем измерения tgδ. При профилактических испытаниях качество изоляции оценивается по абсолютной величине tgδ, измеряемой при напряжении не выше 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования. Для некоторых видов оборудования, например, для электрических машин, определяют зависимость tgδ от напряжения в пределах 0,5….1,5 Uном. Рост tgδ с увеличением напряжения свидетельствует о появлении частичных разрядов в изоляции. Для измерения tgδ в условиях эксплуатации используются малогабаритные мосты МД-16 и Р-595. Принципиальная схема наиболее распространенного моста, в котором один из электродов обследуемого объекта Сх заземлен, приведена на рис. 7. Эту схему иногда называют «перевернутой». Она содержит эталонный конденсатор CN , без индуктивный переменный резистор R3, постоянный резистор R4, переменный конденсатор C4, трансформатор на 10 кВ Т и защитные разрядники FV, предназначенные для защиты измерительных цепей от напряжений в случае пробоя изоляции. Равновесие моста определяется по вибрационному гальванометру PA. Регулирование R4 и C4 осуществляется при помощи изолирующих ручек. Измерительная часть моста защищена от наводок экраном, находящимся под высоким напряжением. Поэтому он размещается внутри наружного заземленного экрана. Экраны друг от друга изолированы на полное напряжение трансформатора Т. Этот метод базируется на явлении электрической поляризации. Процесс поляризации в реальных диэлектриках сопровождается рассеянием энергии W, - т.е. диэлектрическими потерями, которые характеризуются величиной tg δ. Чем больше tgδ, тем менее совершенен диэлектрик как электроизоляционный материал. По значению tgδ можно установить наличие в изоляции различных по характеру дефектов. Однако дефекты одного и того же типа, но разных 81 размеров, неодинаково влияют на результаты измерений и поэтому обнаруживаются с разной чувствительностью. Объясняется это тем, что tg δ испытуемой изоляции из нескольких различных материалов представляет собою средневзвешенную частотную величину. Условия равновесия моста обеспечиваются при: YxY4=Y0Y3; φ x+ φ 4= φ 0 + φ3; tg δx = tg ψ4 = k.C4. Рис. 42 Принципиальная схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции. Сх – испытуемый объект; C0 – эталонный конденсатор; R3, R4, C4 –элементы измерительной части моста; Г – гальванометр. Если изоляцию представить в виде последовательного соединенной емкости изоляции Cx и сопротивления Rх, в котором рассеивается энергия потерь, то в случае равновесия моста 1  1  1 j ωC 4  Rx +  =R . 1 j ωC n j ωC x   R4 + j ωC 4 R4 После преобразования, имеем: Rx = R 3 C4 R4 , Cx = CN . CN R3 В последовательной схеме замещения tgδ может быть представлен отношением активной части сопротивления изоляции к реактивной: tgδ = Подставим Rx и Cx имеем: Rx . 1 ωC x tgδ = ωC 4 R 4 . Для удобства сопротивление резистора R4 принимают равным Тогда для частоты 50 Гц 10000 π Ом. 6 tgδ = C 4 ⋅ 10 , т.е. значение tgδ численно равно емкости C4 в мкФ. 82 При измерении tgδ на действующих установках или вблизи оборудования, находящегося под напряжением, возникают помехи. Для уменьшения ошибки, вызванной помехами, проводят некоторое измерение tgδ при измененной на 180º фазе питающего напряжения, и tgδ определяют как средневзвешенное значение: C tgδ + C tgδ tgδ = , x1 1 x2 2 Cx 1 + Cx 2 где Cx1, Cx2 , tgδ1 и tgδ2 - значения первого и второго измерений. Шкала прибора градуируется непосредственно в tgδ. Практическая реализация метода измерения tgδ заключается в следующем: испытуемый объект включается в одно из плеч моста. К мосту прикладывается напряжение при профилактических испытаниях измерения производятся при U ≤ 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования. Далее уравновешивается мост и производится отсчет tgδ по шкале прибора. Достоинства метода: 1. метод прост, так как позволяет осуществить непосредственное измерение tg при несложной схеме испытательной установки. 2. существует некоторая корреляционная связь между Uпр и tgδ. Недостатки: 1. величина tg δ зависит от протяженности диэлектрика и от влажности; 2. стабилизация tgδ изоляции наступает через несколько сотен часов эксплуатации при номинальном напряжении Uн , влажности и температуре, а дальше длительное время tgδ остается постоянным, поэтому измерение его позволяет выявить некоторые дефекты только в комплексе с другими методами. 18.6 Метод частичных разрядов Обнаружение частичных разрядов (ч.р.) основано на регистрации их внешних проявлений. Схема установки для измерения частичных разрядов электрическим способом приведена на рис. 43. Рис. 43 Принципиальная схема для измерения характеристик частичных разрядов. Схема содержит высоковольтный трансформатор Т, испытуемый образец Cx, конденсатор связи C0, измерительный шунт Z, заградительный фильтр низких частот Ф, усилитель-дискриминатор У, осциллограф N и счетчик импульсов СТ. В этой схеме регистрируется скачкообразное снижение напряжения на испытуемой изоляции при каждом ч. р. При этом на 83 измерительном шунте возникают импульсы напряжения, амплитуда которых в начальный момент времени ∆Uвх = qч . р . C nC x Cx + Cn + C0 , где q = ∆U C - кажущийся заряд, а Cn- собственная емкость входных цепей измерительной части установки. Необходимо принимать меры, чтобы Cn<< Cx, и Cn<< C0; тогда ∆U ≈ q = ∆U . С ч. р. вх x x ч. р . х При использовании в качестве измерительного шунта резистора R на нем возникают апериодические импульсы с широким спектром частот. Для их усиления используются широкие усилители с полосами пропускания от 10 кГц до 1…2 МГц. Длительность фронта этих импульсов составляет примерно 10-710-8 с, они очень короткие и поэтому сигналы от следующих друг за другом частичные разряды (ЧР) не накладываются один на другой, их можно четко различить и подсчитать с помощью счетчика импульсов СТ. При оценке интенсивности ч. р. по среднему току измеряемые импульсы при помощи усилителя-дискриминатора разделяются на соответствующие уровни и производится подсчет импульсов каждого уровня. Средний ток ч. р. равен 1 n I = ∑ qini , T i =1 qi min + qi max где qi = , i - номер уровня, а n - число импульсов в i -м уровне за 2 время Т. В коэффициент пропорциональности между ∆U вх и q ч.р. входит собственная емкость входных измерительных цепей C n , которая не поддается qч . р . строгой оценке. Кроме того на отношение ∆Uвх оказывают дополнительное влияние собственная емкость трансформатора, индуктивность проводов высоковольтного контура и т. д. Поэтому для определения строгого соответствия между ∆U вх и q ч.р. необходимо провести соответствующую градуировку для каждого уровня. Напряжение генератора uг в начальный момент времени распределяется обратно пропорционально емкостям Сг, Сх, С0 и Cn. При этом амплитуда напряжения на входе измерительного устройства i ∆Uвх = Uг Сг . CnCx СгСn Сх + Сn + + + Cг C0 C0 Емкость разделительного конденсатора должна быть во много раз меньше Сх и С0 . В отдельных случаях пользуются простой схемой градуировки рис. 44б. Однако при этом необходимо, чтобы внутреннее сопротивление генератора Г было достаточно малым. 84 Для этой схемы в начальный момент времени ∆Uвх = Uг Cx CxCn Cх + C0 Рис. 44. Схема градуировки ИЧР с разделительной емкостью (а) и с включением Г с емкостью Сx Учитывая, что С г <<С0, С получим: г < <С х , а q ч.р. ∆Ux = Uг Сг . Сх = U x C x для схемы рис. 9. а, Для схемы рис. 44 б. получим: ∆Ux = Uг . Таким образом градуировочный заряд qг для схемы рис. 9. а, qг = UгCг, , а для схемы рис. 9. б, - qг = UгCх. Длительность импульса генератора прямоугольных импульсов должна быть выбрана из условия Тг>>RС0, где C = C + э n CxC 0 Cx + C 0 и также должна быть существенно больше, чем период верхней частоты полосы пропускания усилителя. Минимальная величина регистрируемых кажущихся зарядов ограничивается уровнем внешних радиопомех и собственных шумов усилителя. Установки с применением широкополосных усилителей используются в стационарных лабораториях. В условиях эксплуатации использование этих установок крайне затруднено из-за очень высокого уровня помех от короны на проводах и арматуре изоляторов. При измерении в качестве измерительного шунта индуктивности можно использовать узкополосные усилители. В этих установках уровень помех существенно ниже, а чувствительность выше. Однако сигналы от отдельных ЧР получаются достаточно длительными и, накладываясь друг на друга, делают затруднительным измерение числа импульсов в единицу времени. Поэтому такие установки используют при высоком уровне внешних шумов и только для обнаружения или измерения начального напряжения ЧР. 85 19. Испытание изоляции повышенным напряжением. Одной из важнейших контрольных операций, обеспечивающих надежную работу изоляции в эксплуатации, является испытание электрической изоляции повышенным напряжением. Данный вид испытаний является самым надежным из всех проводимых в настоящее время испытаний, которым подвергается изоляция в процессе изготовления, эксплуатации и ремонта. Испытания повышенным напряжением могут включать в себя испытание переменным напряжением промышленной частоты, выпрямленным и импульсным. Основная идея проверки качества изоляции повышенным напряжением весьма проста. К изоляции прикладывается испытательное напряжение, превышающее рабочее. Если изоляция нормального качества, она выдержит испытания, если дефектная - пробьется. При профилактических испытаниях величина испытательных напряжений принимается на 10-25% ниже заводских норм, указанных в ГОСТ 1516.3-96. Этим снижением учитывается старение изоляции и ослабляется опасность накопления дефектов, возникающих при испытаниях. При профилактических или послеремонтных испытаниях проверяется по существу способность изоляции проработать без отказа до следующих очередных испытаний. При этом контроль изоляции повышенным напряжением, как и другие методы, дает косвенную оценку не только кратковременной, но и длительной электрической прочности изоляции. Основная его задача - проверка отсутствия грубых сосредоточенных дефектов. Контроль изоляции повышенным напряжением в условиях эксплуатации проводится для некоторых видов оборудования (вращающиеся машины, силовые кабели) с номинальным напряжением не выше 35 кВ. Для оборудования более высоких классов напряжения такой контроль затруднен, так как источники испытательного напряжения становятся громоздкими и нетранспортабельными. 19.1 Испытания повышенным переменным напряжением Испытания переменным напряжением подразделяются на испытания: при плавном подъеме напряжения промышленной частоты по ступенчатой методике и напряжением более высокой частоты. Испытание напряжением промышленной частоты является наиболее разработанным методом, имеющим большой опыт применения. Сущность испытания повышенным переменным напряжением заключается в том, что напряжение подается на испытуемый образец через миллиамперметр. Напряжение плавно повышается до величины испытательного и выдерживается в течение одной минуты. Изоляция считается пригодной, если не происходит пробоя и ток утечки не превосходит допустимой величины. Испытание изоляции должно проводиться в условиях, по возможности, воспроизводящих электрическое поле при работе в эксплуатации. 86 Установки для испытания изоляции повышенным напряжением промышленной частоты состоят из следующих основных элементов: регулирующего устройства, испытательного трансформатора, защитных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры, рис.45. К Тр R V V ИО m Рис. 45 Схема испытания изоляции повышенным переменным напряжением. Мощность испытательных трансформаторов зависит от емкости испытуемых объектов и значения испытательного напряжения: S = U2 . ω C. Если установка предназначена для испытания изоляторов потоком искр, мощность испытательного трансформатора должна быть в 3 раза больше расчетной. При емкостной нагрузке испытательного трансформатора должны быть учтены параметры установки, при которых могут возникнуть резонансные явления, вызывающие лавинный характер повышения напряжения. Резонанс напряжения может возникнуть при индуктивном сопротивлении испытательной установки, приведенном к высокой стороне испытательного напряжения: 3,181015 XL ≥ , Ом С где С - емкость испытуемого объекта в мкФ. Мощность испытательной установки должна быть достаточной для того, чтобы установившийся ток короткого замыкания на стороне высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых диэлектриков и не менее 20 мА - при испытаниях жидких диэлектриков. Необходимо, чтобы установка обеспечивала синусоидальную форму кривой напряжения на испытуемом образце. При испытаниях повышенным переменным напряжением используют и более высокие частоты напряжения, стандарты допускают частоту до 500 Гц. Испытания при более высоких частотах производят также при исследовании витковой изоляции вращающихся машин. Время испытаний при этом уменьшается исходя из условия: t исп. = 60 . 100/f, но, не менее 20 с. 87 К НЕДОСТАТКАМ данного метода испытаний можно относят: 1. Во время испытаний повышенным напряжением изоляция ослабляется (происходит ионизация газовых включений). Эти изменения накапливаются со временем и могут развиться при воздействии перенапряжений . 2. Напряжение промышленной частоты выявляет только часть дефектов ослабленной изоляции. У электрооборудования с большой емкостью возможность обнаружения даже грубых повреждений является сомнительной. Большой емкостный ток не дает возможности обнаружить процесс возникающего пробоя. 3. При испытании возможен пробой изоляции, которая выдержала бы нормальную работу в эксплуатации. 4. Испытательное оборудование имеет большие масса - габаритные показатели. 19.2 . Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением. Принципиальная схема установки для испытания повышенным выпрямленным напряжением показана на рис 46 К изоляции R Тр µ ВУ V C µ к ИО 1 µ Рис.46 Схема испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением Сущность испытания повышенным выпрямленным напряжением заключается в том, что выпрямление напряжение подаётся к испытуемому образцу через микроамперметр. Напряжение постепенно повышают до величины испытательного и выдерживают в течение 10 минут, записывая ежеминутно показания с микроамперметра. Прибор - микроамперметр - должен быть снабжен устройством, полностью шунтирующим его. Это исключит повреждение его бросками емкостного тока - Ic и тока абсорбции - Iабс при заряде и разряде испытуемого объекта. На электрической схеме показаны три участка возможного включения измерительного прибора. На первом участке схемное включение прибора наиболее несовершенно. На втором и третьем участках необходимо применять 88 экранированные провода от прибора до объекта. При испытательных напряжениях до 50 КВ можно применять однополупериодную схему выпрямления (рис.47.), а при более высоких напряжениях, рекомендуются схема удвоения напряжения рис. 48. К R1 R2 Тр V к C ИО µ Рис. 47. Схема испытания изоляции однополупериодным выпрямленным напряжением. К R1 V1 R2 Тр ИО к C1 C2 R3 V2 R4 µ Рис.48 Схема удвоения напряжения. 89 19.3 Нормы на испытательные напряжения. Предельные значения испытательного выпрямленного напряжения в кВ для электроустановок с номинальным напряжением Uн, кВ показаны в табл. 3. Таблица 3. Uисп, кВ. Испытуемый объект Вращающиеся Uн,кB. 3 6 10. 15 20 35 10 20 30 40 50 25 35 50 65 80 120 25 40 70 — 100 175 110 220 электрические машины Силовые трансформаторы Силовые кабели 2 500 Распределение напряжения в изоляции при приложении постоянного и переменного напряжений различно. При постоянном напряжении распределение напряжения после стабилизации тока определяется проводимостями слоев, а при переменном - главным образом частичными емкостями. Вследствие разницы в распределении напряжения, в общем неправильно заменять испытание постоянным напряжением испытанием переменным напряжением. Достоинства метода испытания изоляции повышенным выпрямленным напряжением: . 1. 2. 3. 4. 1. 2. Общее ослабление изоляции эти методы обнаруживают одинаково, но чувствительность метода испытания постоянным напряжением выше. Лучшая избирательность выпрямленного напряжения ко многим видам местных дефектов изоляции (проколы, порезы). При испытании изоляции выпрямленным напряжением практически полностью отсутствует опасность повреждения её вследствие ионизации газовых включений, так как при воздействии постоянного напряжения по краям газовых включений за доли секунды возникают объёмные заряды, создающие обратное поле и. способствующие гашению начавшейся ионизации. Для испытаний постоянным напряжением могут быть использованы компактные испытательные установки относительно небольшой мощности, рассчитанные на малые токи утечки. К недостаткам метода можно отнести: Нельзя испытывать витковую изоляцию электрических машин. Если последовательно с вышедшим из строя элементом изоляции включено большое сопротивление, то повреждение при испытании может и не обнаружиться. 90 Постоянное напряжение может вызвать такие химические, а возможно и электрические реакции, которые не имеют места при испытании переменным напряжением. В жидкостях может возникнуть перераспределение заряженных частиц, в результате чего испытание может дать более благоприятную картину, чем в действительности. 4. Постоянное испытательное напряжение по толщине изоляции распределяется согласно удельным сопротивлениям, а не обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям изоляционных материалов, как при рабочем напряжении, так и при перенапряжениях, поэтому отношения испытательных напряжений к рабочим в отдельных диэлектриках получаются совершенно разными. Испытанию выпрямленным напряжением подвергают конденсаторы сглаживающих устройств и электрические кабели. 3. 20 Испытания жидких диэлектриков. В технике высоких напряжений жидким изолирующим материалам принадлежит весьма важная роль. В большинстве случаев они используются в комбинации с бумагой, по отношению к которой выполняют функцию пропитывающего материала. Жидкие диэлектрики, обладая высокой электрической прочностью, легко проникают в поры волокнистых материалов, заполняют все промежутки и, тем самым, значительно увеличивают электрическую прочность изоляции машин и аппаратов. Жидкие электроизоляционные материалы обладают высокой теплоёмкостью и высоким коэффициентом теплопередачи. Поэтому применение жидких диэлектриков позволяет значительно улучшить отвод тепла от токоведущих частей машин и аппаратов и, следовательно, повысить их мощность. Ряд жидких диэлектриков обладают хорошими дугогасящими свойствами. Поэтому они широко применяются для заполнения высоковольтных выключателей. По своей природе жидкие диэлектрики делятся на три основные группы:  минеральные масла;  растительные масла;  синтетические жидкие диэлектрики. Наиболее широкое применение в технике получили минеральные масла, которые по своему назначению делятся на: трансформаторные, конденсаторные и кабельные. Трансформаторное масло представляет собой неполярную жидкость от бесцветного до темно-жёлтого цвета. Цвет чистого масла зависит от исходного продукта и не определяет свойства масла. Конденсаторное масло отличается от трансформаторного только степенью очистки. Очистка повышает удельное сопротивление и электрическую прочность масла, а также резко снижает тангенс угла диэлектрических потерь. 91 Кабельное масло, служащее для пропитки бумажной изоляции кабелей весьма высокого напряжения, маловязкое и по своим электрическим свойствам близко к конденсаторному. При работе в электрических аппаратах изоляционные свойства минеральных масел постепенно ухудшаются. В процессе старения в масле образуются кислоты и смолы, загрязняющие его. Масло темнеет, а его вязкость возрастает и ухудшает теплоотвод от токоведущих частей. Старение минеральных масел вызвано их окислением кислородом воздуха и, особенно, озоном, образующимся при коронировании. Воздействие света и повышенных температур ускоряет процесс старения. Этому способствуют и металлические катализаторы: медь, латунь, железо и другие металлы. Присутствие воды в масле тоже ускоряет процесс его старения. При старении в масле образуются твёрдые смолообразные примеси. Они выпадают в виде осадков на обмотки трансформатора, что затрудняет теплоотвод от нагретых частей. Если же примеси растворяются в масле, то его электрическая прочность снижается. В процессе старения масла в нём образуются кислоты и влага, которые также снижают уровень изоляции трансформаторов, кабелей и других устройств. Несмотря на меры предохранения масла от старения оно всё же с течением времени ухудшает свои электрические, физические и химические свойства. Поэтому находящееся в эксплуатации масло необходимо испытывать на электрическую прочность, температуру вспышки паров, вязкость, подвергать очистке, сушке и регенерации. 20.1 Определение электрической прочности трансформаторного масла. Испытание трансформаторного масла на пробой является одним из наиболее важных и чаще других используемых на практике видом испытаний. Определение пробивного напряжения производится на аппаратах АИИ-70, АИМ-80, либо АИМ-90. Трансформаторное масло заливается в сосуд, изображенный на рис. 49. В фарфоровом сосуде укреплены два латунных электрода диаметром 25 мм с межэлектродным расстоянием 2,5 мм. Количество заливаемого масла должно быть таким, чтобы над верхней частью электродов был слой трансформаторного масла не менее 15 мм. Залитому маслу в сосуд дают отстояться в течение 10 минут, после чего производят первый пробой. 92 Рис. 49. Стандартный маслопробойник Перед каждым из пяти последующих пробоев маслу дают отстояться по 5 минут, перемешивают чистой и сухой стеклянной палочкой или щупом, так, чтобы из межэлектродного пространства удалились газовые пузырьки и посторонние включения. Электрическая прочность масла определяется как значение пробивного напряжения, отнесённое к межэлектродному расстоянию. Среднее значение электрической прочности определяется по формуле n E ïð ñð = ∑E i =1 N •ði , где N - число пробоев масла. Разброс отдельных значений электрической прочности, относительно среднего значения характеризуется среднеквадратичным отклонением σ : ∑ (E n σ= i =1 п рi − E п р.с р ) 2 N −1 , Неоднородность трансформаторного масла, как изоляции, оценивается коэффициентом вариации - Квар: K ва р = σ E п р.с р ⋅ 100% . Изоляция считается однородной, если Квар < 15%. Сильное влияние на величину электрической прочности трансформаторного масла оказывает присутствие влаги, причём резкое снижение электрической прочности наблюдается уже при содержании влаги порядка 0,01-0,015 процентов от массы. В таком состоянии масло уже непригодно для использования в качестве изоляционной среды в высоковольтной аппаратуре. Определяемая электрическая прочность связана с влажностью выражением:  0,033 E п р = 22 1 + 1,5  ,  ω  93 где (ω - влажность масла в процентах - то есть количество воды в масле в процентах от веса масла). В таблице 4 приведены нормы, которым должно удовлетворять трансформаторное масло. Таблица 4 Установки, Uн, кВ Пробивное напряжение, свежее масло кВ на 2,5 мм эксплуатационное масло до 15 30 25 выше 15 до 35 35 30 от 60 - 220 45 40 20.2 Температура вспышки Температура вспышки – это температура, при которой смесь паров масла с воздухом воспламеняется при приближении открытого пламени или искры. Температура вспышки паров масла определяет степень опасности использования масла в пожарном отношении. Для определения температуры вспышки паров трансформаторного масла применяется прибор, схема которого изображена на рис. 50. Рис. 50 Прибор для определения температуры вспышки паров минерального масла. Прибор состоит из латунного стакана – 1, помещенного внутрь электрического нагревателя 2. Стакан заполняется испытуемым маслом до отметки на его внутренней поверхности. При повороте мешалки ее нижние крылья перемешивают масло, а верхние - пары масла. При сдвиге заслонки - 3, горелка - 4 автоматически наклоняется к отверстию и ее пламя соприкасается с парами масла. Температурой вспышки - называют наименьшую температуру, при которой вспыхивают пары масла. При этих условиях само масло не загорается. Оно загорается при большей температуре, называемой температурой воспламенения. 94 20.3 Определение вязкости трансформаторного масла. Вязкость трансформаторного масла является важным физическим параметром, определяет процесс теплоотдачи обмоток и магнитопроводов в трансформаторах и дугогасящую способность выключателей Для хорошей циркуляции масла в трансформаторах, улучшающей охлаждение обмоток и магнитопроводов, необходимы масла с малой вязкостью. В свою очередь у масла, как и других жидких диэлектриков, вязкость сильно возрастает при понижении температуры. При температуре 20°С вязкость трансформаторного масла должна быть не более 4,2°Э и не выше 2°Э при температуре 50°С. Для измерения условной вязкости – ВУ масла применяется вискозиметр Энглера, схема которого показана на рис. 51. Латунный сосуд – 2 помещен внутрь металлического сосуда 1 так, чтобы между ними имелось пространство, заполненное водой. Оба сосуда в центре имеют отверстия, сквозь которые пропущена калиброванная трубка – 3 с диаметром внутреннего отверстия 2-3 мм. Это отверстие закрывается пробкой - 4. Латунный сосуд заполняется испытуемой жидкостью по указательные штифты – 5. Одновременное касание маслом всех трех остриев служит признаком правильной установки на столе, неточность установки выправляют установочными винтами на ножках прибора. Наружный сосуд 1 служит водяной баней, откуда нагретая на электрической плитке вода равномерно передает тепло маслу. Воду перемешивают мешалкой. Благодаря значительной теплоемкости воды не происходит резких колебаний температуры масла во время испытаний. Рис. 51.Схема вискозиметра Энглера. Перед испытаниями трансформаторного масла вискозиметр Энглера должен быть тщательно промыт и просушен. Вставив пробку - 4 в калиброванную трубку - 3 и установив под сливным отверстием мерную колбу с отметкой на узком горлышке объема в 200мл, заливают масло в латунный 95 сосуд. Закрыв крышку, нагревают воду, перемешивая ее мешалкой - 5. Когда установится требуемая температура масла, что отмечается термометром – Т 2, сливают в колбу масло до отметки-200 мл. При этом пену во внимание не принимают. Время вытекания этого объема масла засекают секундомером. Вязкостью масла в градусах Энглера называется отношение времени истечения 200 миллилитров масла, нагретого до температуры 50 0С, к времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20 0С. Время истечения 200 мл. воды при температуре 20 0С называют водным числом прибора. Наряду с условной вязкостью различают динамическую и кинематическую. Динамическая вязкость -η вычисляется по формуле: η= f , Па . с, 6πrVk где f – сила в (Н), действующая на твердый шарик. Эта сила равна весу твердого шарика за вычетом (на основании закона Архимеда) веса жидкости объема шарика; r, - радиус шарика, мм ; V скорость движения шарика, м/с; k = (1 + 2,4 r r ) ⋅ (1 + 3,1 ) , R L где k - поправочный коэффициент, учитывающий влияние стенок сосуда; R, - радиус сосуда, м; L. - высота сосуда, м; ν - кинематическая вязкость ,М/С вычисляется по формуле: ν= η , ρ где ρ - плотность испытуемой жидкости, кг/м3 . Кинематическую вязкость часто измеряют в стоксах (Ст) = 10-4 м2/с. Для измерения вязкости кроме вискозиметра Энглера используют шариковые вискозиметры, ротационные, пластовискозиметры, электроротационные и капиллярные. Шариковые вискозиметры основаны на измерении скорости погружении стального шарика в испытуемой жидкости. Ротационные вискозиметры конструктивно состоят из двух цилиндров: наружного неподвижного и внутреннего, вращающегося вокруг вертикальной оси под действием определенной силы. Пространство между ними заполнено испытуемой жидкостью. По затрате мощности на вращение внутреннего цилиндра или по степени замедления вращения его определяют вязкость жидкости. При определенном конструктивном исполнении ротационного вискозиметра можно совместить определение вязкости и удельного электрического сопротивления испытуемой жидкости по току утечки между цилиндрами. Пластовискозиметры способны, наряду с вязкостью, определять предел прочности. Электроротационные вискозиметры позволяют непосредственно отсчитывать величину вязкости по шкале измерительного прибора. 96 Капилярные вискозиметры служат для измерения кинематической вязкости. От кинематической вязкости (м2/с) к условной вязкости (°Э) можно перейти, используя таблицу 5. Таблица 5 Кинематическая Град вязкость Кинематическая Град Э вязкость м2/с сСт 0.000001 1.00 ВУ м2/с 1.00 0.000024 Кинематическая Град вязкость сСт ВУ м2/с сСт ВУ 24.0 3.43 0.000054 54.0 7.33 0.000002 2.00 1.10 0.000025 25.0 3.56 0.000055 55.0 7.47 0.000003 3.00 1.20 0.000026 26.0 3.68 0.000056 56.0 7.60 0.000004 4.00 1.29 0.000027 27.0 3.81 0.000057 57.0 7.73 0.0000045 4.5 1.34 0.000028 28.0 3.95 0.000058 58.0 7.86 0.000005 5.0 1.39 0.000029 29.0 4.07 0.000059 59.0 8.00 0.0000055 5.5 1.43 0.000030 30.0 4.20 0.000060 60.0 8.13 0.000006 6.0 1.48 0.000031 31.0 4.33 0.000061 61.0 8.26 0.0000065 6.5 1.53 0.000032 32.0 4.46 0.000062 62.0 8.40 0.000007 7.0 1.57 0.000033 33.0 4.59 0.000063 63.0 8.53 0.0000075 7.5 1.62 0.000034 34.0 4.72 0.000064 64.0 8.66 0.000008 8.0 1.67 0.000035 35.0 4.85 0.000065 65.0 8.80 0.0000085 8.5 1.62 0.000036 36.0 4.98 0.000066 66.0 8.93 0.000009 9.0 1.76 0.000037 37.0 5.11 0.000067 67.0 9.06 0.0000095 9.5 1.81 0.000038 38.0 5.24 0.000068 68.0 9.20 0.000010 10.0 1.86 0.000039 39.0 5.37 0.000069 69.0 9.34 0.000015 15.0 2.37 0.000045 45.0 6.16 0.000075 75.0 10.15 0.000020 20.0 2.95 0.000050 50.0 6.81 . 0.000080 80.0 10.8 ν При > 8 . 10 –5 м2/с (80 сСт) переход от одной системы к другой производится по формуле: ВУ 0Э = 0,136 . ν 97 21 Силовой электрический кабель. 21.1. Типы и конструкции силовых электрических кабелей и проводов. Электрический кабель – это одна или несколько изолированных токоведущих жил, заключенных в герметичную оболочку с защитными покровами, рис. 1. Рис. 52.Разрез электрического кабеля. Провод – это одна или несколько изолированных токоведущих жил с легким защитным покровом. Провода могут быть и неизолированными. Основными конструктивными элементами кабелей и проводов являются: токопроводящие жилы, электрическая изоляция, оболочка и защитные покровы. Токопроводящие жилы передают электрическую энергию от источника питания к потребителю и обеспечивают механическую прочность кабеля. Они выполняются из одного или нескольких, скрученных вместе, алюминиевых или медных проводников. Проводники со сплошными жилами имеют меньший диаметр по сравнению с проводниками того же сечения, но с многопроволочными жилами. Механическая прочность жил проводников зависит от вида проводникового материала и его сечения. Предел прочности многопроволочных жил ниже, чем однопроволочных, из-за неравномерности натяжения отдельных проволок в жиле. Многопроволочные жилы обеспечивают гибкость кабеля при монтаже. Гибкость жилы зависит от числа проволок – чем больше жил, тем выше гибкость. Электрическая изоляция токоведущих жил выполняется из кабельной бумаги, полиэтилена, резины, поливинилхлоридного пластиката, политетрафторэтилена и прессованной окиси магнезии. Кабельная бумага пропитывается компаундами или кабельными маслами. В качестве компаундов используется маслоканифолевая вязкая пропитка. Добавка канифоли в нефтяное масло увеличивает его вязкость и поэтому оно не 98 вытекает через концевые разделки кабеля и увеличивает стойкость масла к окислению. Однако, в эксплуатации при многократных изменениях температуры происходит «тепловое дыхание», что приводит к образованию пустот в изоляции. Это ограничивает предельно допустимую напряженность электрического поля в изоляции с вязкой пропиткой. Поэтому в высоковольтных кабелях с номинальным напряжением от 110 кВ применяется бумажная изоляция, пропитанная менее вязкими кабельными маслами. Полиэтилен обладает высокими механическими и электрическими характеристиками, морозостоек, устойчив к действию агрессивных сред и не распространяет горение. Теплостойкая изолирующая резина обладает хорошими механическими и электрическими свойствами, но имеет малую стойкость к действию влаги и, особенно, нефтепродуктов. Изоляционная резина на основе бутилкаучука обладает большей стойкостью к действию влаги, кислот и щелочей, а изоляция из кремнийорганической резины устойчиво работает при температурах от – 60 до + 200 0С. Поливинилхлоридный пластикат устойчив к действию воды, нефтепродуктов, кислот, обладает высокой механической прочностью, но его сопротивление резко уменьшается с ростом температуры. Поэтому в качестве изоляции он используется только в кабелях на напряжение до 220 В. Политетрафторэтилен имеет очень высокую нагревостойкость(до 300 С), негорюч, обладает высокой химической стойкостью, превосходя золото и платину, и высокой электрической прочностью (до 30 кВ/мм). Магнезиальная изоляция применяется в жаростойких кабелях с рабочей температурой до 800 0С. Оболочки кабелей применяются для защиты изоляции токоведущих жил от воздействия химически агрессивной среды, механических повреждений, влаги и солнечного света.Оболочки кабелей могут быть: - свинцовыми, алюминиевыми, полиэтиленовыми, резиновыми и поливинилхлоридными. Для более надежной защиты кабеля от механических повреждений кабель покрывается прочными стальными лентами или круглыми стальными проволоками. Так как сталь подвержена коррозии, то броня защищается слоем кабельной пряжи, пропитанной битумным составом. Условные обозначения проводов и кабелей. Медные провода имеют условное обозначение М, алюминиевые А, сталеалюминиевые АС, сталеалюминиевые усиленные АСУ, сталеалюминиевые облегченные АСО, однопроволочные стальные ПСО, многопроволочные стальные ПС, биметаллические сталемедные ПБСМ, медные фасонные МФ, медные фасонные овальные МФО. В марках кабелей прописные буквы имеют следующие значения: А – алюминиевая токоведущая жила ( если жилы медные, то буква М не ставится ) или алюминиевая оболочка; Б – броня из стальной ленты или изоляция на основе бутилкаучука; В – полихлорвиниловая изоляция; 99 Г – кабель без наружного покрова или особо гибкий; К – кабель коаксиальный; броня из оцинкованной проволоки; Ж – жаростойкий; М – малогабаритный; магнезиальная изоляция; О – отдельно освинцованные жилы; облегченный; П – пластмассовая изоляция; оплетка из стальных оцинкованных проволок; Р – резиновая изоляция; С – свинцовая оболочка; Ш – шланговый; Э – экранированный ( оплетка из медных облуженных проволок ). После буквенного обозначения ставится числовое значение сечения токоведущей жилы в мм2. На электрифицированных железнодорожных линиях в качестве несущих тросов используют медные провода М-95, М-120, биметаллические сталемедные провода ПБСМ-70, ПБСМ-95 и стальные С-70. В качестве контактных проводов используют медные, бронзовые и из низколегированной стали. Например: МФ – медный фасонный, МФО – медный фасонный овальный, БрФ – бронзовый фасонный, БрФО – бронзовый фасонный овальный, НЛФО – низколегированный фасонный овальный и другие. Питающие, усиливающие и отсасывающие линии выполняют чаще алюминиевыми многопроволочными проводами типа А или АКП с площадью поперечного сечения 150 – 185 мм2. Провода марки АКП отличаются от А тем, что их межпроволочное пространство заполнено нейтральной смазкой для защиты от агрессивной среды. Для электрического монтажа силовых цепей электроподвижного состава используют провода: ПС – одножильный в оплетке на номинальное напряжение от 1 до 4 кВ; ПСШ – то же в резиновом шланге; ПМУ – одножильный с усиленной изоляцией в двух оплетках на напряжение 4000 В; ПСЭО – шестнадцати жильный в общей оплетке на напряжение от 1000 до 2000 В ; ПСЭШ – то же в резиновом шланге; ППСРМ – провод одножильный с резиновой усиленной изоляцией в двухслойной оплетке, пропитанной противогнилостным составом в резиновой холодостойкой оболочке. В цепях с более высоким напряжением применяют провода с электрической изоляцией на 4 кВ переменного и 6 кВ постоянного тока. Изоляция этих проводов рассчитана и выдерживает работу в условиях тряски, вибрации и увлажнения на подвижном составе. Она выполнена из теплостойкой резины с пропиткой хлопчатобумажной наружной оплетки специальным противогнилостным составом. На рисунке 2 показаны разрезы трех жильных кабелей. 100 Рис. 53 а) - трехжильный кабель с поясной изоляцией и с секторными жилами; б) трехжильный кабель с отдельно освинцованными жилами на 35 кВ; 1 – токоведущая жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; – 4 – джутовое заполнение; 5 – свинцовая оболочка; 6 – броня;7 – антикоррозионный покров; 4 8 – экран из полупроводящей бумаги. Секторная форма токоведущих жил обеспечивает более полное использование внутреннего объема. Для выравнивания электрического поля на поверхности токоведущих жил и на поверхности фазной изоляции используются экраны из полупроводящей бумаги. На рис. 54 показана конструкция электрического кабеля с пластмассовой изоляцией. Рис. 54 Конструкция электрического кабеля с пластмассовой изоляцией. На рисунке 55. изображен разрез маслонаполненного кабеля низкого давления на напряжение 110 кВ. Рис. 55 Конструкция маслонаполненного кабеля 1 – маслопроводящий канал; 2 – токоведущая жила; 3 – экран из полупроводящей бумаги; 4 – бумажная изоляция; 5– экран из полупроводящей бумаги; 6 – оболочка из омедненного свинца; 7 – 11, 13 – защитные покровы; 12 – броня из стальных и медных проволок. 101 Одножильные кабели изготавливают для отсасывающих фидеров и на высокие напряжения от 110 кВ и выше. Двухжильные кабели применяются для передачи электрической энергии на постоянном токе. Трехжильные кабели наиболее распространены и используются на напряжения до 35 кВ включительно. Четырехжильные кабели чаще применяются на напряжения Uл/Uф = 380/220 В. Электрические кабели на высокие напряжения изготавливают с газовым наполнением или маслонаполненные: низкого давления – 1 кгс/см2, среднего 2 – 4 кгс/см2 и высокого давления 10 – 15 кгс/см2. Прокладку кабелей в земле проводят в траншеях. Кабель укладывают на дно траншеи, покрытое слоем песка или просеянной земли. Сверху кабель закрывают песком или бетонными плитами для предотвращения возможных механических повреждений при раскопке грунта. При пересечении трассы электрической железной дороги на постоянном токе кабель заключается в асбоцементные трубы, пропитанные гудроном или битумом для защиты от коррозии блуждающими токами. Если число кабелей велико, то их прокладывают в каналах или тоннелях, а иногда и на открытых эстакадах. 21.2 Методы определения места повреждения изоляции кабелей. Нормальные условия эксплуатации изоляции обеспечиваются выбором правильных режимов работы оборудования, предупреждением его перегрева, чрезмерного загрязнения и увлажнения. Однако даже при этом изоляция постепенно теряет свои первоначальные свойства как в результате старения, так и вследствие появления различных местных дефектов. Постепенно развиваясь, дефекты настолько понижают электрическую прочность изоляции, что она может не выдержать не только возникающих кратковременных перенапряжений, но даже и рабочего напряжения. Повреждения кабельных линий подразделяются на следующие виды: 1. Повреждения изоляции, вызывающие замыкание одной жилы на землю. 2. Повреждения изоляции, вызывающие замыкание двух или трёх жил на землю, либо двух или трех жил между собой в одном или разных местах. 3. Обрыв одной, двух или трёх жил без заземления или с заземлением как оборванных, так и необорванных жил. 4. Заплывающий пробой изоляции: • одной жилы на землю; • одной, двух или трёх жил между собой без заземления и с заземлением. Каждое определение места повреждения кабеля начинают с выяснения характера повреждения и в зависимости от него выбирают соответствующий метод измерения. К методам определения места повреждения кабельных линий предъявляются следующие требования: 1. Погрешность не должна превышать 3 м., что обусловлено трудностью раскопок при расположении кабельных линий под усовершенствованными покрытиями. 102 Время определения места повреждения не должно превышать нескольких часов, что обусловлено необходимостью скорейшего ввода в эксплуатацию кабельной линии. 3. Высокая надежность применяемых аппаратов. 4. Безопасность производства работ. Существующие методы определения места повреждения силовых кабельных линий целесообразно разделить на две группы: относительные методы, которые позволяют определять расстояние от места измерения до места повреждения, и абсолютные методы, позволяющие указать место повреждения непосредственно на трассе. Наибольшее распространение получили следующие методы определения повреждений кабелей: относительные: петлевой, импульсный и метод колебательного разряда; абсолютные: индукционный и акустический. 2. 21.2.1 Петлевой метод Метод применим для случая, когда жила с поврежденной изоляцией не имеет обрыва и, кроме того, в кабеле имеется хотя бы еще одна не поврежденная жила, с одинаковыми параметрами, рис. 56. Рис. 56 Схема для определения места повреждения изоляции кабеля петлевым методом. Порядок измерения: Определяют переходное сопротивление с помощью мегомметра; на противоположном конце кабеля устанавливают закоротку, соединяя неповрежденную жилу с поврежденной; в начало линии включают измерительный мост; равновесия моста добиваются подбором сопротивлений измерительных плеч. Величины сопротивлений записываются при нулевом показании гальванометра. Расстояние до места повреждения обозначается - lx, а за местом повреждения - lу. l x = 2L R1 R1 + 990 Записав показания сопротивлений плеч моста, необходимо концы проводов, идущих от жил кабеля на мост, поменять местами и сделать новое измерение: 103 L + l y = 2L R1′ R1′ + 990 На основании подсчета результатов двух измерении, произведенных с одного конца кабеля, получают величину lх , меньшую длины кабеля и величину L+1у, большую длины кабеля. Если сумма результатов не составляет двойной длины кабеля, то, следовательно, сопротивления плеч моста подобраны не достаточно точно и измерение следует повторить, предварительно проверив контакты закоротки на противоположном конце кабеля. Этот метод рекомендуется применять при сопротивлении изоляции в месте повреждения до 5000 Ом, при большем сопротивлении - резко падает точность. В качестве аппаратуры используют специальный кабельный мост, двойной мост Томпсона и установку на напряжение 2 - 20 кВ. 21.2.2 Импульсный метод. Импульсный метод основан на определении интервала времени между двумя импульсами напряжения - падающим и отраженным от места неоднородности в кабеле, рис. 57. Рис. 57 Схема для определения места повреждения изоляции кабеля импульсным методом. От генератора импульсных напряжений посылается зондирующий импульс в кабельную линию. Параллельно входу подключается регистрирующий прибор (осциллограф, ИКЛ-4, ИКЛ-5, Р5-1А, Р5-8, Р5-9, РБ-10). Импульс напряжения, распространясь вдоль линии со скоростью V, доходит до неоднородности волнового сопротивления и отражается. Полярность отраженного импульса указывает на характер повреждения. При увеличении волнового сопротивления: в случаях обрывов, достижении конца линии, переходов с большего сечения провода на меньшее или наличия соединительной муфты, импульс отражается с положительным значением (рис. 57 - 1.). При коротком замыкании, утечке, переходе с меньшего сечения на большее - отраженный импульс имеет отрицательную полярность (рис. 57 -- 2.). Определив время запаздывания отраженного импульса - t и зная скорость распространения волны - V, можно найти расстояние до места повреждения - lx. lx = v ⋅t .. 2 104 Поскольку время запаздывания отраженного импульса линейно зависит от расстояния, то в электроизмерительных приборах лимбы рукояток измерителей времени запаздывания отградуированы в единицах длины. Зона повреждения данным методом определяется с точностью до нескольких метров. 21.2.3 Метод колебательного разряда Данный метод предназначен для определения расстояния до места заплывающих пробоев изоляции, которые возникают преимущественно в кабельных муфтах. Кабель с заплывающим пробоем обычно имеет высокое сопротивление изоляции. Принципиальная схема, реализующая данный метод, показана на рис. 58. Рис. 58 Схемы для определения места повреждения изоляции кабеля методом колебательного разряда. На поврежденную жилу кабеля подается выпрямленное напряжение от источника питания - 1, до величины, не превышающей уровень испытательного напряжения. При наличии дефекта в изоляции она пробивается при меньшем напряжении и в месте повреждения проскакивает искра, т.е. в изоляции кабеля происходит колебательный разряд. Расстояние до места повреждения 1х зависит от скорости распространения электромагнитной волны - V и периода собственных колебаний - T: lx=T.v/4. Момент пробоя регистрирует прибор и самоблокируется. Отсчет расстояния до места повреждения берется по шкале с учетом отклонения стрелки и предела измерений. При определении места однофазного повреждения целые жилы кабеля должны быть изолированы, а при повреждениях между жилами напряжение от 105 испытательной установки подается на одну жилу, а другие две заземляются через резистор сопротивлением более 1000 Ом. Погрешность при использовании электросекундомера составляет ± 5% максимального значения шкалы прибора, пределы измерения которого составляют 1; 2; 5; 10 км. Индукционный метод Индукционный метод основан на принципе прослушивания с поверхности земли звука, создаваемого электромагнитными колебаниями при протекании по жилам испытуемого кабеля тока звуковой частоты. От генератора (рис. 8.) подается напряжение частотой 800-1200 Гц на две жилы испытуемого кабеля. Оператор, проходя по трассе с кабелеискателем, состоящим из приемной рамки - Р, усилителя - У и наушников - Т, слышит звук. Громкость звука может несколько меняться из-за наличия скруток кабеля, изменения глубины укладки и наличия труб. Над местом повреждения изоляции кабеля звук будет резко усиливаться с последующим его затуханием на расстоянии 0.5 - 1 м от места повреждения. Данный метод применим при переходном сопротивлении не более 20 Ом и глубине залегания кабеля до 2-2.5 м. Рис. 59 Схема индукционного метода С целью снижения переходного сопротивления в месте пробоя производится прожигание изоляции кабеля. Схемы прожигания силовых кабелей показаны на рис. 60, 106 Рис. 60. Схемы прожигания изоляции силовых кабелей а - на выпрямленном напряжении; б на переменном напряжении; в - с использованием резонанса напряжений; г - с применением искрового промежутка и индуктивности. 21.2.4 Акустический метод. Акустический метод основан на прослушивании звуковых колебаний искровых разрядов, в месте повреждения изоляции кабеля. Схема испытательной установки показана на рис. 61. Рис. 61 Схема акустического метода На испытуемый кабель, обладающий емкостью С, подается напряжение. При определенном его значении в ослабленном месте изоляции происходят электрические разряды с энергией - W = СU2/2, Дж, где С - емкость кабеля. В месте пробоя изоляции кабеля происходит достаточно мощный звуковой удар, который с помощью деревянного стетоскопа или кабелеискателя с пьезодатчиком, улавливается испытателем на поверхности земли. Чем больше энергия разрыва в месте повреждения изоляции, тем сильнее слышимость разряда. При переходном сопротивлении 2 кОм и более, акустический метод дает наилучшие результаты. 107 Разработчик доцент «22» марта 2021 г. Методические материалы рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» Протокол № 7 от 23 марта 2021 г. 108