Рідкі діелектрики

Вывод

Вопрос. В каком случае, согласно теории Таунсенда, наступает разряд в газе и каково условие пробоя Таунсенда?

Ответ. Согласно теории Таунсенда, разряд в газе наступает в том случае, если в объеме газа происходит интенсивная ударная ионизация электронами, а образующиеся при этом положительные ионы, бомбардируя катод, обеспечивают поступление в объем газа вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации электронов, уходящих после ионизации на анод. Исходя из этой модели процесса, можно получить условие пробоя Таунсенда: , где – коэффициент ударной ионизации Таунсенда; – коэффициент ионно-электронной эмиссии из катода.

Вопрос. Объясните зависимость ?

Ответ. Снижение с уменьшением происходит до тех пор, пока длина пробега электрона между актами ионизации , остается значительно меньше расстояния между электродами . Как только становится сравнимым с , достаточное для развития электронных лавин количество актов ионизации можно обеспечить лишь за счет существенного увеличения напряженности поля . Этим и объясняется рост с уменьшением при малых значениях или .

Вопрос. Как проводится исследование основных закономерностей перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе?

Ответ. Основные закономерности перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе в сравнительно однородном электрическом поле исследуются с помощью электродов Роговского, между которыми помещаются диэлектрические стержни цилиндрической формы с плотно прилегающими к электродам торцами. При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении диэлектрической проницаемости диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами напряжение перекрытия при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то .

Електропровідність рідких діелектриків обумовлена переміщу-нням іонів, що виникають в результаті дисоціації молекул рідини і домішок, а також переміщенням заряджених частинок домішок – моліонів. Електропровідність рідких діелектриків в значній мірі зале-жить від їх чистоти. В якості забруднень можна розглядати воду або інші по сторонні рідини, а також різноманітні тверді частинки. Очистка рідких діелектриків від домішок суттєво підвищує їх питомий опір, однак повністю видалити домішки із рідкого діелектрика практично неможливо. Електропровідність будь-якої рідини суттєво залежить від температури. З підвищенням температури зростає рухливість іонів та степінь теплової дисоціації. Ці два фактори збільшують електропровід-ність.

Діелектричні втрати в рідких діелектриках залежать від того чи рідина полярна чи неполярна. В неполярних рідинах, що не містять домішок, діелектричні втрати визначаються втратами на електропро-відність. Збільшення температури викликає збільшення діелектричних втрат, а частота не впливає на них.

У неполярних рідин діелектрична проникність визначається в основному тільки електронною поляризацією. Діелектрична проник-ність неполярної рідини суттєво залежить від температури. З ростом температури вона зменшується, наближаючись до одиниці. Це явище пояснюється зменшенням числа молекул в одиниці об’єму. Як показує досвід, діелектрична проникність неполярних рідин (конденсаторна та трансформаторна олива) не залежить від частоти.

У неполярних рідин, наприклад соволу, діелектрична проник-ність визначається одночасно електронною та дипольною поляриза-ціями. Діелектрична проникність полярних рідин, що використовую-ться в якості технічних діелектриків складає від 3 до 40.

В полярних рідинах поряд із втратами на електропровідність основне місце займають втрати, що зв’язані з дипольно-релаксацій-ною поляризацією. Вони мають чітко виражений температурний і частотний максимум, залежать від в’язкості рідини, так як поворот диполів у в’язкій рідині викликає втрати енергії на тертя молекул. Полярні рідини не рекомендується використовувати при високих частотах, так як вони мають підвищені діелектричні втрати.

Електрична міцність рідких діелектриків в основному визнача-ється наявністю посторонніх домішок (води, газів, твердих частинок), а також полярністю рідини, температурою та іншими факторами. Електрична міцність забруднених рідин набагато менша, ніж чистих.

Рідкі діелектрики за своїм призначенням поділяються наступним чином:

1) По хімічній природі:

а) нафтові ізоляційні оливи; б) синтетичні рідини (хлоровані вуглеводи, кремній і фторорганічні рідини, складні ефіри різних типів);

2) По специфіці застосування: а) для трансформаторів і вимика-чів; б) конденсаторів; в) кабелів; г) систем циркуляції охолодження та ізоляції випрямлювальних установок, турбогенераторів.

3) По верхній межі допустимої робочої температури: а) до 95⁰С (всі нафтові оливи); б) до 135⁰С (синтетичні вуглеводи, хлорпохідні вуглеводів, деякі ефіри кремнієвої кислоти, фосфорної та органічних кислот); в) до 200⁰С (деякі типи фторвуглеводів); г) до 250⁰С (поліфенілефірні і спеціальні поліорганосилоксани).

4) По ступені горючості: а) горючі; б) негорючі.

Вимоги до рідких діелектриків:

1. Висока електрична міцність.

2. Високий електричний опір.

3. Величина діелектричної проникності вибирається в залежності від особливості всієї системи ізоляції.

4. Діелектричні втрати – найменші.

5. Висока стабільність в умовах експлуатації і зберігання.

6. мінімальна в’язкість в діапазоні робочої температури.

7. Сумісність з твердою ізоляцією і конструкцією матеріалів.

8. Економічність застосування.

9. Для спеціальних випадків застосування – негорючих.

З електрофізичної точки зору найбільш важливими характери-тиками рідин є діелектрична проникність, електропровідність і елект-рична міцність. Діелектрична проникність є якісною характеристикою рідин і характеризується дипольним моментом і поляризацією молекул. Як приклад – у неполярного діелектрика гексана дипольний момент відсутній, поляризація має чисто електронний характер і, унаслідок цього, діелектрична проникність мала e £ 2. Трансформаторна олива, будучи сумішшю речовин, має у своєму складі невелику кількість полярних молекул, що володіють дипольним моментом. Тому e зростає до ≈ 2,2-2,4. Касторова олія має більше полярних молекул, отже більше e ≈ 4,5. Етиловий спирт, гліцерин, вода є представниками полярних речовин, діелектрична проникність складає 24, 40, 81 відповідно. Для неполярних рідин e < 3 діелектричну проникність можна розрахувати, знаючи концентрацію і поляризацію молекул. Для цього застосовується формула Клаузіуса-Моссотті:

(2.1.)

де с, d – коефіцієнт та густина матеріалу відповідно.

Очищення діелектричних рідин може здійснюватися дистилят-цією, в тому числі під вакуумом, частковою кристалізацією, абсор-бцією, іонним обміном. При цьому, як правило, зменшується електро-провідність та діелектричні втрати, зростає електрична міцність. Основною домішкою, що підвищує провідність рідких діелектриків є вода, а основними домішками, що зменшують електричну міцність є мікрочастинки, мікропухирці і вода. Тому в практиці енергосистем для регенерації трансформаторної оливи її фільтрують, осушують за допомогою пропускання через ємність, заповнену адсорбентами (цео-літами або силікагелем). За рахунок різних способів очищення рідин у дослідженнях вдавалося одержати електропровідність не вище елект-ропровідності кращих твердих діелектриків, а саме до 10^-19 См/м.

Електрична міцність – також, як і електропровідність, у знач-ній мірі є технологічною характеристикою рідкого діелектрика й електродів, способів готування й експлуатації ізоляційного проміжку. На неї впливають не тільки ті домішки, що визначають електро-провідність, але форма і матеріал електродів, тривалість імпульсу, наявність пухирців.

Найбільш розповсюджений в енергетиці рідкий діелектрик – це трансформаторна олива. Вона являє собою очищену фракцію нафти, що одержується при перегонці при температурі кипіння від 300°С до 400 °С. У залежності від походження нафти мають різні властивості. Олива має складну вуглецевоводну будову із середньою вагою молекул 220-340 а.о., і містить наступні основні компоненти: парафіну – 70-80%, ароматичних вуглеводнів – 15-20%, з’єднання сірки та азоту – <2%, антиокисна присадка – 0,5%. Кожний з компонентів оливи відіграє значну роль при експлуатації. Парафіни і циклопарафіни забезпечують низьку електропровідність і високу електричну міцність. Ароматичні вуглеводні зменшують старіння оливи і збільшують стійкість до часткових розрядів. Сірчані, азотні з’єднання є домішками і не грають позитивної ролі. Сірчані, азотні з’єднання відповідальні за процеси корозії металів у трансформаторній оливі.

Вуглеводні парафінового ряду, крім високої хімічної стійкості мають високу температуру спалаху і багато інших позитивних якостей, але застигають уже при кімнатній температурі і тому тут не допускається великого вмісту парафінів. Першою операцією готування трансформаторної оливи з нафти є фракційна перегонка під вакуу-мом. При перегонці нафта шляхом випару розділяється на ряд фракцій, кожна з який містить близькі по температурі кипіння і подібні по властивостях вуглеводні. Спочатку від нафти відокремлюються найбільш легкі вуглеводні: бензин, гас; потім переганяються більш важкі фракції, так званий соляровий дистилят, з якого і готується олива. Перегонка не забезпечує однорідного складу олії, тому що в дистилят попадає цілий ряд суміжних фракцій. Крім того, у ньому присутні шкідливі домішки, що погіршують властивості оливи. Для одержання повноцінного продукту нафта піддається очищенню від нафтових кислот, смол, сірки і ненасичених з’єднань. Ця операція називається рафінуванням. Для повного видалення вологи промита олія піддається сушінню продувкою повітря. Остаточне очищення олії здійснюється обробкою його при температурі 70-80°С адсорбентом.

З основних характеристик трансформаторної оливи відзначимо, що вона горюча, практично нетоксична, що не порушує озоновий шар. Густина оливи знаходиться в діапазоні (0,84-0,89)×10³ кг/м³. В’язкість є однією з найважливіших властивостей оливи. З міркувань високої електричної міцності олія повинна мати високу в’язкість. Для того, щоб добре виконувати свої додаткові функції в трансформаторах (як охолоджуване середовище) і вимикачах (як середовище, де рухаються елементи привода), олива повинна мати невисоку в’язкість, у протилежному випадку трансформатори не будуть належним чином охолоджуватись, а вимикачі – розривати електричну дугу у встанов-лений для них час. Тому вибирають компромісне значення в’язкості для різних олив. Кінематична в’язкість для більшості олив при температурі 20 °С складає 28-30×10^-6 м²/с.

Рис.2.1. Залежність електричної міцності трансформаторної оливи від вмісту води в ній та залежність електричної міцності трансформаторної оливи від температури: 1 – суха олива, 2 – олива, що містить сліди води.

Температурою застигання називається температура, при якій олива застигає настільки, що при нахиленні пробірки з охолодженою олією під кутом 45° його рівень залишиться незмінним протягом 1 хв. У масляних вимикачах температура застигання має вирішальне значення. Свіжа олива не повинна застигати при температурі “-45°С”; у південних районах країни дозволяється застосовувати оливу з температурою застигання “-35°С”. З інших теплофізичних характери-тик відзначимо порівняно невелику теплопровідність l від 0,09 до 0,14 Вт/(м×К^-1), що зменшується в залежності від температури. Тепло-ємність, навпаки, збільшується з ростом температури від 1,5 кДж/(кг×К^-1) до 2,5 кДж/(кг×К^-1).

Коефіцієнт теплового розширення оливи визначає вимоги до розмірів розширювального бака трансформатора і складає приблизно 6,5×10^-4 1/К. Питомий опір оливи нормується при температурі 90°С і напруженості поля 0,5 МВ/м, і він не повинен перевищувати 5×10¹⁰ Ом×м для будь-яких сортів олив. Відзначимо, що питомий опір, як і в’язкість, сильно падають з ростом температури (більш ніж на порядок при зменшенні температури на 50°С). Діелектрична проникність оливи невелика і коливається в межах 2,1-2,4. Тангенс кута діелектричних втрат визначається наявністю домішок в оливі. У чистій оливі він не перевищує 2×10^-2 при температурі 90°С и робочій частоті 50 Гц. В окисленій забрудненій і зволоженій олії tgd зростає і може досягати більш ніж 0,2. Електрична міцність оливи визначається в стандартному розряднику з напівсферичними електродами діаметром 25,4 мм і міжелектродною відстанню 2,5 мм. Пробивна напруга повинна складати не менш 70 кВ, при цьому в розряднику електрична міцність оливи буде не меншою, ніж 280 кВ/см.

Якісне трансформаторне масло має світло-жовтий колір. Сильне потемніння у процесі експлуатації показує на псування масла внаслідок забруднення або окислення. Воно повинно зберігати прозорість при охолодженні до +5 ^оС. Прозорість перевіряють в скляній прямокутній посудині, на одну із стінок якої наклеюють смужку паперу з нанесеними на неї чорною тушшю трьома лініями товщиною 0,1; 0,5 і 1,0 мм. Якщо через шар масла в 100 мм чітко видно всі лінії, то масло якісне; якщо лінію товщиною 0,5 мм видно не чітко, а лінію товщиною 1 мм – чітко, то бажана очистка; при меншій прозорості масла необхідна негайна очистка.

В маслі не повинно бути води. Якщо при опусканні в пробірку з маслом розпеченого дроту роздається тріск, то це означає, що в маслі є волога і його необхідно очищати і сушити.

Для визначення розчинених у воді кислот і лугів використовують реакцію водяної витяжки, яка проводиться за допомогою індикаторів, здатних різко змінити свій колір при наявності незначної кількості кислоти або лугу (наприклад, водяний розчин метилоранжу).

Пробивна напруга експлуатаційного масла, яка характеризує його електричну міцність і визначається за допомогою стандартних апаратів (наприклад, АИИ-70, АКИ-50, АИИМ-72 і ін.), повинна бути не меншою від 25 кВ для апаратів з напругою до 15 кВ і не нижче 30 кВ для апаратів з напругою до 35 кВ включно.

Для видалення води масло нагрівають різними методами: стру-мом короткого замикання, втратами у власному баку, струмами нульо-вої послідовності. В деяких випадках для очищення масла досить, щоб воно відстоялося у відповідній ємності у приміщенні з відносно сухим і чистим повітрям. Але найбільше поширене сушіння масла за допо-могою центрифугування при температурі 40¸50 ^оС. При цьому масло очищується не тільки від води, а й від важких механічних домішок.

Від легких механічних домішок, а також від води масло очи-щають за допомогою фільтрпресів. У фільтрпресі масло при темпера-турі 40¸50^ОС під тиском 3¸5 атм. проганяється через фільтрувальний папір, який втягує вологу і затримує механічні домішки – волокна, шлам, сажу, тощо. При очищенні фільтрувальний папір замінюють через 1¸4 годин. Його можна промивати, сушити і знову використо-вувати.

Фільтпрес звичайно використовують після центрифуги, доби-ваючись майже граничної очистки масла від домішок. Центрифугу-ванням і фільтруванням очищують масло, але не відновлюють його втрачені властивості. Для видалення з масла продуктів окислення і для відновлення його попередньої якості проводять регенерацію.

Регенерацію масел проводять за допомогою адсорбентів – ре-човин, здатних поверхнею своїх частинок поглинати продукти старі-ння масла і вологу (явище адсорбції). В ролі адсорбентів використо-вуються природні відбілювальні глини, амфорне або активоване вугіл-ля, окиси алюмінію, селикагелі (роздрібнена кремнекислота) і цеоліт.

Регенерацію проводять контактним або перколяційним спосо-бом. В першому випадку звичайно використовують менш активні адсорбенти – відбілювальні глини. Адсорбент в розмеленому прожа-реному вигляді додають у підігріте до 80¸90^ОС масло, перемішують, відстоюють, після чого масло відправляють на фільтрування. В друго-му випадку масло пропускають через адсорбент, а потім фільтрують.

Останнім часом регенерацію масла проводять безпосередньо в трансформаторі під час його експлуатації. Для цього трансформатори обладнують спеціальними термосифонними фільтрами, поглинальни-ми патронами і повітроосушувачами, заповненими звичайно селикаге-лем. Під час експлуатації масло, проходячи через селикагель, віднов-лює свої властивості.

Існує велика різниця між терміном служби трансформатора і терміном служби оливи. Трансформатор може працювати без ремонту 10-15 років, а олива вже через рік вимагає очищення, а через 4-5 років – регенерації. Мірами, що дозволяють продовжити термін експлу-атації оливи, є: 1) захист олії від зіткнення повітрям шляхом установ-ки розширників з фільтрами, що поглинають кисень і воду; 2) знижен-ня перегріву в умовах експлуатації; 3) регулярні очищення від води і шламу; 4) підвищення стабільності олії шляхом введення анти-окислювачів.

Антиокисна присадка спеціально вводиться в оливу для запобігання її окислювання під дією локальних високих температур і реакцій із провідниковими і діелектричними матеріалами.

Конденсаторні оливи – об’єднана група різних діелектриків, що застосовується для просочення паперово-масляної і паперово-плівкової ізоляції конденсаторів. Найбільш розповсюджену кондесаторну оливу за ДеСТ-5775-68 роблять із трансформаторної оливи шляхом більш глибшого очищення. Відрізняється від звичайних олив більшою прозорістю, меншим значенням tgd (більш, ніж у десять разів). Касторова олива – олива рослинного походження. Основна область використання – просочення паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах. Густина касторової олії 0,95-0,97 т/м³, температура застигання від –10°С до –18°С. Його діелектрична проникність при 20°С складає 4,0 – 4,5; tgd при 20°С дорівнює 0,01 – 0,03, а при 100°С tgd = 0,2 – 0,8; Е_пр при 20°С дорівнює 15 – 20 МВ/м.

Касторова олива не розчиняється в бензині, але розчиняється в етиловому спирті. На відміну від нафтових олій касторове не викликає набрякання звичайної гуми. Цей діелектрик відноситься до слабкополярних рідких діелектриків, його питомий опір при норма-льних умовах складає 10⁸ – 10¹⁰ Ом×м. Кабельні оливи призначені для просочення паперової ізоляції силових кабелів. Основою їх також є нафтові оливи. Від трансформаторної оливи відрізняються підвище-ною в’язкістю, збільшеною температурою спалаху і зменшених діелектричних втрат. З марок олив відзначимо МН-4 (“маловязкое”, для заповнення кабелів низького тиску), С-220 (“высоковязкое”, для заповнення кабелів високого тиску), КМ-25 (найбільш в’язке).

Дата добавления: 2015-05-06