Электрохимический пробой

Электрохимический пробой диэлектрика заключается в том, что при воздействии постоянных и переменных электрических полей в диэлектрике происходят электролитические процессы, приводящие к изменению химического состава и уменьшению электрической прочности. Уменьшение электрической прочности приводит с течением времени к электрическому пробою. Этот процесс называется старением диэлектрика и наблюдается как в диэлектриках органического происхождения, так и в некоторых неорганических диэлектриках. Процесс старения диэлектриков требует длительного времени. Уменьшение электрической прочности при старении диэлектрика приводит к сокращению срока службы электронного и электрического оборудования. График зависимости пробивного напряжения изоляции от времени приведен на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Зависимость пробивного напряжения изоляции от времени

Допустим, что необходимо обеспечить длительность эксплуатации электротехнического устройства, равную Если рабочее напряжение, воздействующее на изоляцию, равно U_p, то произойдет электрический пробой через интервал времени, равный r„i < Л>. Таким образом, устройство выйдет из строя через меньший отрезок времени, чем расчетная длительность эксплуатации.

Если снизить рабочее напряжение до U_p2, то пробой изоляции с учетом старения произойдет через отрезок времени t„₂ > и пробой изоляции не окажется причиной выхода устройства из строя.

Электрическое старение изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения

Длительное воздействие рабочего напряжения аппарата определяет способность его изоляции выдержать влияние всевозможных факторов за время всего срока эксплуатации и численно оценивается электрической прочностью через 20-30 лет путем испытания изоляции повышенным напряжением частотой 50 Гц в течение 1 мин. Длительная эксплуатация изоляции приводит к се старению, снижению электрической прочности и ухудшению электрических характеристик (диэлектрической проницаемости и потерь). Причинами изменения этих характеристик являются: электрическое старение вследствие развития частичных пробоев при перенапряжениях (грозового и внутреннего характера) или при рабочем напряжении; тепловое старение и окисление изоляции; увлажнение изоляции, а также причины механического характера (электродинамические толчки при коротких замыканиях, вибрации и т.п.); химическое старение или электролитическое окисление. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что приводит в дальнейшем к се пробою. Основной причиной электрического старения является развитие частичных пробоев, энергия которых тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, нагрев диэлектрика и излучение электромагнитных колебаний. Необратимое частичное разрушение диэлектрика накапливается, создавая кумулятивный эффект в изоляции, на что тратится несколько процессов всей энергии частичных пробоев. Характер и степень разрушения в твердом диэлектрике связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов или обратных процессов: образование молекул или присоединение радикалов. В органических диэлектриках частичные пробои вызывают выделение водорода или других газов (метан, ацетилен, углекислый газ и др.), а также углеродистых соединений со значительной проводимостью (дендриты в эпоксидном образующем терморсак- тивной изоляции, эрозия или углекислые образования по поверхности керамической, фарфоровой или стеклянной изоляции). Во многих случаях явление частичных пробоев можег вызвать микротрещины в диэлектрике.

Старение маслобарьерной и бумажной изоляции проявляется в изменении электрических и физико-химических характеристик как самого минерального масла, гак и бумаги или элскгрокартона. При этом проводимость и диэлектрические потери увеличиваются, в дальнейшем старение завершается электрическим или тепловым пробоем изоляции аппарата. Газовыдслснис в масле связано с действием сильного электрического поля (около 3 ЭВ), достаточного, чтобы свободные электроны разрушили молекулу углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения при наличии частичных пробоев или в его отсутствие зависит от химического состава масла, поэтому количество трансформаторного масла определяется месторождением нефти, возможными присадками и его очисткой [2].

Тепловое старение диэлектрика связано с рабочей температурой аппарата. Возможность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит химическое старение и осуществляется процесс химических реакций. Например, при повышении температуры химическое разложение целлюлозы характеризуется уменьшением степени полимеризации, при этом укорачиваются цепочки молекул, уменьшается гибкость и механическая прочность бумаги и картона.

Изоляционная конструкция во многих аппаратах в рабочем режиме соприкасается с воздухом, при этом возможно увлажнение. Процесс увлажнения масла в трансформаторах может быть от трех агрегатных состояний влаги: эмульгированное (пленка), молекулярнорастворенное (диполи) и газообразное (молекула влаги в газовой полости). Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворимостью обладают непредельные и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые. Наличие воды в масле снижает его электрическую прочность и увеличивает диэлектрические потери. Причем влияние воды сильнее сказывается, когда оно находится в эмульгированном состоянии, чем в молекулярпорастворимом.

Влажность увеличивает скорость термического старения, способствует разрушению молекул органического диэлектрика, ухудшает физико-технические характеристики.