Все об электрической прочности изоляции: определение и причины уменьшения

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: U_пр= f (pA)

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

Толщины изоляции;
Диэлектрической проницаемости;
Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
Тип диэлектрика;
Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Материалы по теме:

Защита кабеля от механических повреждений
Измерение сопротивления изоляции кабеля
Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях

26.09.2019

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика

Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Характеристики диэлектриков

К данной группе относятся пироэлектрики, сегнетоэлектрики, релаксоры, пьезоэлектрики. В современной технике активно используются пассивные и активные свойства таких материалов, поэтому остановимся на них подробнее.

Пассивные свойства изоляторов применяются в тех случаях, когда они используются в обычных конденсаторах.

Электроизоляционными материалами считают диэлектрики, не допускающие потери электрических зарядов. С их помощью можно отделять друг от друга электрические цепи, части приборов от проводящих частей. В таких ситуациях диэлектрическая проницаемость не имеет особой роли.

Активные (управляемые) диэлектрики — это пироэлектрики, сегнетоэлектрики, электролюминофоры, материалы для затворов и излучателей в лазерной технике.

Спрос на диэлектрические материалы ежегодно возрастает. Причиной является увеличение мощности промышленных предприятий и коммерческих учреждений.

Кроме того, повышенный спрос на диэлектрики можно объяснить увеличением числа средств связи и различных электрических приборов.

В технике особое значение играет электрическая прочность изоляторов, связанная с расположением молекул и атомов в кристаллической решетке.

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Электрическая прочность силовых кабелей

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Электрическая прочность силовых кабелей

Материалы по теме:

Защита кабеля от механических повреждений
Измерение сопротивления изоляции кабеля
Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях

Опубликовано:
26.09.2019
Обновлено: 26.09.2019

Газ и изоляция

Физический смысл

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.

Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Проверка перед эксплуатацией

Перед использованием защитные галоши подвергаются тщательному осмотру с целью выявления текущих дефектов.

Поверхность изделия должна исключать:

отслоения отделочных фрагментов;
разрывы подкладки со стелькой;
расхождения швов в подкладке;
посторонние жёсткие элементы;
выступания серы.

Защитные средства обуваются прямо на обувь, если она сухая и желательно чистая

При этом важно следить, чтобы личная обувь не содержала элементов способных повредить защитную поверхность. По завершению работ диэлектрические средства подлежат очистке и просушке

В каждой электроустановке необходимо содержать комплект из нескольких вариантов размеров вспомогательных диэлектрических средств

При осмотре важно обращать внимание на присутствие штампа, свидетельствующего о своевременном проведении испытаний

Физический смысл

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Требования

Особые требования воспрещают иметь в составе защитной обуви посторонние жёсткие элементы, всевозможные расслоения, а также отслоения или разрывы материалов, способные нарушить целостность защитного покрытия. Отдельные отхождения от нормы, определённые по наружному виду галош, могут допускаться, если они носят одиночный характер. Максимально допустимое значение для тока утечки при тестировании диэлектрических галош обязано оставаться на отметке 2,5 мА.

Материалы изготовления вспомогательных защитных средств обязаны соответствовать общим требованиям, как безопасности, так и охраны труда.

Показатели тока утечки не должны превышать допустимых пределов.
В состав материалов изготовления запрещается включать элементы, обладающие токсичными, взрыво или пожароопасными, а также электромагнитными характеристиками.
При контакте с агрессивными поверхностями защитные средства не должны выделять токсичных, радиоактивных или биологических составляющих.

Диэлектрическая обувь в обязательном порядке должна быть помечена специальным обозначением, подтверждающим наличие защитных качеств. Таким образом, для диэлектрических галош применяют обозначение «Эн», а боты носят о.

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Теории возникновения пробоя диэлектриков

К этому времени накоплено много экспериментального материала по теме пробоя жидких диэлектриков, но это не помогло обосновать единую теорию его возникновения.

Сейчас наибольшей популярностью пользуются три группы теорий:

тепловая, объясняющая появление газового канала как результата кипения самого диэлектрика в местах локальной повышенной неоднородности поля (пузырьки воздуха и т.п.).
газовая, согласно которой к пробою приводит наличие пузырьков газа, адсорбированных на электродах или растворенных в масле;
химическая, объясняющая пробой как результат химических реакций, имеющих место в диэлектрике при воздействии электрического разряда в пузырьке газа.

Не сложно заметить, что все три теории объединяет признание того, что пробой масла происходит в паровом канале, образованном за счет испарения самого жидкого диэлектрика.

На величину пробивного напряжения оказывает влияние наличие связанной воды. При применении вакуумной сушки трансформаторного масла наблюдается три этапа:

резкое повышение пробивного напряжения, соответствующее удалению эмульсионной воды;
пробивное напряжение изменяется мало и останавливается на уровне 60 кВ. На данном этапе происходит удаление растворенной и слабо связанной воды;
медленное повышение пробивного напряжения за счет удаления связанной воды.

Электрическая прочность: основные влияющие факторы

Чистые трансформаторные масла в основном не содержат воды и других примесей, что позволяет им обладать достаточным пробивным напряжением (более 60 кВ). Определение данного параметра осуществляют при помощи плоских медных электродов с закругленными краями и расстоянием между ними 2,5 мм. Электрическая прочность – величина не постоянная для материала.

В случае ударных напряжений наличие примесей почти никак не сказывается на электрической прочности трансформаторного масла. Принята теория, согласно которой механизм пробоя при ударных (импульсных) напряжениях и длительной экспозиции имеет различную природу. При импульсном напряжении электрическая прочность существенно выше, чем при относительно длительной экспозиции напряжения частотой 50 Гц. Поэтому коммутационные и грозовые разряды обладают сравнительно небольшой опасностью.

Повышение температуры от 0 до 70 ºС приводит к повышению электрической прочности трансформаторного масла. Данное явление объясняется удалением из жидких диэлектриков влаги, переходом ее из эмульсионного состояния в растворенное, и уменьшением вязкости масла.

На процесс пробоя огромное влияние оказывают растворенные газы. При напряженности электрического поля более низкой, чем пробивная, можно наблюдать появление на электродах пузырьков. Если трансформаторное масло не дегазировалось и произошло понижение давления, то его электрическая прочность падает.

Отмечают три случая, при которых пробивное напряжение не зависит от давления:

Диэлектрическая жидкость тщательно дегазирована.
Наличие ударных напряжений (независимо от наличия загрязнений и газов).
Большое давление (около 10 МПа).

Доказано, что пробивное напряжение трансформаторного масла определяется не общим содержанием воды, а ее концентрацией в эмульсионном состоянии.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

Или определяется по формуле: Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

МЕТОД 2

2.1. Принцип и условия контроля

2.1.1. Принцип проверки и вид испытательного напряжения устанавливают в соответствии с пп.1.1.1-1.1.3.

2.1.2. Значение испытательного напряжения рассчитывают по формуле

где — значение испытательного напряжения при проверке электрической прочности изоляции по методу 1; — коэффициент перенапряжения, характеризующий степень увеличения испытательного напряжения при сокращении времени испытаний. Значения коэффициента перенапряжения приведены в обязательном приложении 2, а метод его определения — в справочном приложении 3.

2.2. Аппаратура

2.2.1. Контроль электрической прочности изоляции проводят на установке, структурная схема которой приведена на чертеже.

2.2.2. Регулирующее устройство и блок индикации и регистрации должны удовлетворять требованиям пп.1.2.2, 1.2.4-1.2.7.

2.2.3. Регулирующее устройство и блок управления должны обеспечивать подъем напряжения за 0,2-0,5 с от нуля до установленного значения, выдержку под испытательным напряжением в течение (5±0,2) с и снятие напряжения за 0,2-0,5 с.

2.3. Подготовка и проведение контроля

2.3.1. Испытательное напряжение подключают в соответствии с требованиями п.1.3.2.

2.3.2. Испытательное напряжение подают от нуля до установленной величины за время 0,2-0,5 с, выдерживают в течение (5±0,2) с, после чего за время 0,2-0,5 с снижают до нуля. Примечание. Подъем и снижение напряжения допускается производить за время менее 0,2 с при условии отсутствия резкого возрастания (скачка) напряжения, возникающего в результате переходных процессов в момент подключения или отключения электрических цепей. (Измененная редакция, Изм. N 1).

2.3.3. Регистрация электрического пробоя или поверхностного перекрытия производится по п.1.3.5.

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

E = U/d;

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика	Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая	60 – 90
Бумага, пропитанная маслом	100 – 250
Воздух	30
Масло трансформаторное	50 – 180
Миканит	150 – 300
Мрамор	35 – 55
Парафин	150 – 300
Электрокартон сухой	80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом	120 – 170
Слюда мусковитая	1200 – 2000
Слюда флогопит	600 – 1250
Стекло	100 – 400
Фибра	40 – 110
Фарфор	180 – 250
Шифер	15 – 30
Эбонит	80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Причины уменьшения электрической прочности

Или определяется по формуле:

Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике: