Оглавление
Феномен старения изоляции: причины и способы предотвращения
- Главная
- Все статьи
- Кабель
- Феномен старения изоляции: причины и способы предотвращения
Выделяют несколько видов изоляции силовых кабелей: резиновая, бумажная из ПВХ.
Изоляция любых проводов рано или поздно начинает устаревать, а значит, терять свои эксплуатационные свойства. Она становится хрупкой, местами сильно трескается, то есть перестает обеспечивать по-настоящему надежную защиту изделия: значительно снижается кратковременная электрическая прочность и другие важные характеристики.
Почему же изоляция довольно быстро приходит к такому состоянию? Этому есть несколько причин, которые, действуя в комплексе или по отдельности, разрушают материал защитной оболочки. К ним относятся частые разряды (обычно появляются при перенапряжении), воздействие тепла и воздуха (окисление) и эксплуатация во влажных помещениях / во влажном климате.
Но перечисленные факторы — лишь основные, тогда как на изоляцию активно действуют еще и побочные. В их числе, к примеру, механические повреждения изделия, большие нагрузки, сильная вибрация, воздействие кислот и других химикатов, электролитические процессы.
Когда изоляция начинает стареть, может развиваться такое явление, как тепловой прибой, основной причиной возникновения которого становятся частичные разряды. Во время каждого такого разряда выделяется энергия, разрушающая молекулы, ионизирующая атомы, сильно нагревающая материал-диэлектрик, а также расходуемая на излучение. Ущерб, приносимый подобного рода разрядами, зависит от того, из какого материала выполнен изолирующий слой. Однако практически во всех случаях в толще последнего образуются многочисленные трещинки, особенно это касается твердых диэлектриков.
Что до изоляции на основе пропитанной маслянистой смесью бумаги, разряды изменяют электрические, физические и химические свойств минерального масла компонентов, а также самой бумаги. Вместе с изменением этих свойств увеличивается проводимость, а значит, возникает серьезная проблема: пробой.
Многочисленное воздействие импульсов на изоляцию ведет к аккумуляции эффекта разрушения. Дестабилизация ее энергетического поля и ускорение процесса старения могут быть вызваны
- ползущим разрядом (явление возникает в системах с маслобарьерной изоляцией);
- частичным критическим разрядом (характерно для систем с бумажной изоляцией в пропитке);
- дендритами (характерно для систем с твердой изоляцией).
Способность изоляции противостоять перечисленным выше типам воздействия известно как «электрическая кратковременная прочность».
К примеру, кабели АПвПуг имеют защищенную от влаги изоляцию.
Тепловой пробой
Тепловой пробой имеет место в случаях, когда не обеспечивается отвод тепла от перехода при протекании обратного тока.
Тепловой пробой достаточно хорошо изучен как теоретически, так и экспериментально.
|
В АХ полупроводниковых диодов. |
Тепловой пробой наблюдается в мощных вентилях и связан с нарушением теплового равновесия. Тепловой пробой происходит в случае, если выделяемое в р-п переходе количество тепла превышает отдаваемое окружающей среде. В результате температура диода начинает самопроизвольно повышаться вплоть до выхода прибора из строя.
Тепловой пробой в таердом диэлектрике возникнет при повышенных рабочих температурах, когда нарушается тепловое равновесие между теплом, выделяющимся в диэлектрике, и теплом, отводимым от него в окружающее пространство.
Тепловой пробой специфичен только для мощных германиевых транзисторов и наступает только в ограниченном числе случаев, в определенных условиях и режимах.
Тепловой пробой наступает в том случае, когда рассеиваемая мощность вызывает нагрев р-п перехода. Этот нагрев приводит к ла-виннообразному нарастанию тока, т.е. к пробою р-п перехода.
Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду.
Тепловой пробой возникает вследствие лавинообразного нарастания температуры р-п перехода, к которому приложено большое обратное напряжение.
Тепловой пробой связан с тем, что в результате недостаточного теплоотвода от перехода его температура возрастает и, следовательно, возрастает концентрация неосновных носителей, создаваемых в результате тепловой генерации. Этот процесс, продолжая нарастать, приводит к значительному перегреву перехода и может разрушить его. Очевидно, что допустимое обратное напряжение в большой степени должно зависеть от условий охлаждения перехода.
Тепловой пробой имеет место и в таких жидких диэлектриках, как керосин или трансформаторное масло. Благодаря текучести жидкости в этом случае пробоя не остается проплавленного канала, как в твердых изолмторах.
Тепловой пробой происходит в твердых диэлектриках при достаточно длительном приложении значительного напряжения, когда начальный ток в диэлектрике, обусловленный наличием некоторого количества свободных электронов, будет достаточен для прогрессирующего местного или общего нагрева диэлектрика. При нагреве уменьшается сопротивление диэлектрика, ток и нагрев возрастают вплоть до пробоя. В случае кратковременного приложения напряжения может иметь место и электрический пробой. Импульсная прочность диэлектрика при этом обычно в несколько раз выше, чем прочность при тепловом пробое, когда для прогрева диэлектрика требуется некоторое время.
Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-п перехода или отдельного его участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон — дырка и, следовательно, увеличивается обратный ток, что ведет к увеличению мощности, выделяющейся в р-п переходе, и дальнейшему его разогреву. Этот процесс, также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка р-п перехода и выходом прибора из строя.
Глоссарий по физике
А
Б
В
Г
Д
Е
Ж
З
И
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Э
Ю
Я
Тепловой пробой, электротепловой пробой
Тепловой пробой, электротепловой пробой — резкое увеличение электропроводности диэлектрика (или
полупроводника) при прохождении через него электрич. тока, обусловленное джоулевым
разогревом (см. Джоулевы потери)и нарушением теплового равновесия образца
с окружающей средой. В теоретич. отношении Т. п. имеет много общего с тепловым
взрывом .Необходимым условием Т. п. является резкое (обычно экспоненциальное)
возрастание проводимости s с ростом температуры Т. Незначительная в
первый момент (при комнатной температуре) проводимость вследствие выделения джоулева
тепла приводит к небольшому повышению температуры, вследствие чего проводимость
увеличивается; это, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры
и т. д., т. е. проводимость и температура взаимно «раскачивают» друг
друга. В связи с тем, что коэф. теплоотдачи зависит от Т слабее (обычно
линейно), существует нек-рое критич. значение электрич. поля Екр(э
л е к т р и ч е с к а я п р о ч н о с т ь), при превышении к-рого стационарное
тепловое состояние образца оказывается невозможным (ур-ние теплового баланса
не имеет стационарного решения). В этом случае темп-pa со временем лавинообразно
нарастает и, в конечном счёте, происходит плавление или иное разрушение образца.
Если в цепи образца есть
гасящее сопротивление, то разрушение может не произойти: в этом случае происходит
перераспределение приложенного напряжения, в результате чего вольт-амперная
характеристика (ВАX) оказывается S-образной. При критич.
напряжении ток и температура претерпевают скачок. При уменьшении напряжения скачок
в обратном направлении происходит не при том же, а при меньшем критич. значении,
т. е. имеет место гистерезис S,-образный характер ВАX
может привести к неоднородности распределения плотности тока j по сечению
проводника (шнурование тока).
От лавинного пробоя, обусловленного
«умножением» числа свободных носителей заряда, Т. п. отличают гораздо
большее время нарастания тока (10-2 -103 с), сильная зависимость
электрич. прочности от размеров и формы образца, температуры окружающей среды, условий
теплоотдачи.
Наряду со статич. Т. п.
возможен о п т и ч е с к и й Т. п. в условиях, когда с ростом температуры быстро
возрастает коэф. поглощения эл—магн. волн. Такие условия возможны при поглощении
ИК-излучения свободными носителями, при температурном сдвиге линии экситонного
поглощения и т. д. Оптич. Т. п. является одним из возможных механизмов оптической
бистабильности.
Литература по
- Франц В., Пробой диэлектриков, пер. с нем., М., 1961; Поплавко Ю, М., Физика диэлектриков,
К., 1980; Эп-штейн Э. М., Оптический тепловой пробой полупроводниковой пластины,
«ЖТФ», 1978, т. 48, с. 1733. Э.М. Эпштейн.
к библиотеке
к оглавлению
FAQ по эфирной физике
ТОЭЭ
ТЭЦ
ТПОИ
ТИ
Знаете ли Вы, что «тёмная материя» — такая же фикция, как черная кошка в темной комнате. Это не физическая реальность, но фокус, подмена.Реально идет речь о том, что релятивистские формулы не соответствуют астрономическим наблюдениям, давая на порядок и более меньшую массу и меньшую энергию. Отсюда сделан фокуснический вывод, что есть «темная материя» и «темная энергия», но не вывод, что релятивистские формулы не соответствуют реалиям. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
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
Механизм пробоя воздуха
1
ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.
Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.
В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 1014 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 1014 раз, получим шарик радиусом в 10 км
Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*1019 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.
Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд
е=
-1,6*10-19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10-8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона
где ke —
коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*109, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, чтоq1 = q2 , получаем
. (1)
Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.
Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U.
Следовательно, ели длина промежутка равнаd , то
и измеряется в вольтах на метр (В/м)
В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.
Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой
. (2)
Если это заряд электрона q
, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):
Подставляя в эту формулу е=
-1,6*10-19 Кл,ke = 9*109,r =10-8 см=10-10 м, получим:
/м=1.440.000 кВ /см.
Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.
Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!
Весь секрет в механизме отрывания электрона.
Рассмотри этот природный секрет.
Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.
Как было сказано выше, в 1 см3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.
Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.
1
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 690; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Почему прочность уменьшается
Есть несколько основных факторов, которые напрямую влияют на уменьшение прочности в сети:
- Переменные напряжения;
- Температурные значения.
В первом случае напряжение в сети может меняться. Например, на электрической станции линия достигает значений двести двадцать киловольт, но в случае поломок напряжение может упасть до ста десяти киловольт.
После обслуживания и ремонта напряжение вернётся к изначальным значением.
Такое напряжение и называют переменным, изменяющееся в определённый временной промежуток. Из-за того, что в России многие сети существуют довольно давно, они уже обзавелись своими ресурсами.
Переменное напряжение не является редким явлением для наших сетей.
При прохождении тока кабели соответственно нагреваются. Постоянные высокие температуры могут воздействовать на проводник, что влияет и на слой изоляции. Пробои напрямую зависят от разных температур.
Лавинный пробой
Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда путем ударной ионизации атомов полупроводника под действием сильного электрического поля.
Если электрическое поле, вызванное обратным напряжением, достаточно велико, то электроны и дырки, движущиеся через
р-n-переход, приобретают на длине свободного пробега энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и образуются новые электронно-дырочные пары, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем и могут участвовать в ударной ионизации атомов.
Количественной характеристикой процесса лавинного размножения носителей заряда является коэффициент лавинного размножения М, который представляет собой отношение тока, образованного носителями заряда, выходящими из обедненного слоя перехода, к току, обусловленному носителями заряда того же знака, входящими в обеденный слой:
M=|I|I.
Коэффициент лавинного размножения удовлетворяет условию M≥1, причем значение M возрастает с увеличением обратного напряжения на p—n-переходе.
Для оценки коэффициента лавинного размножения используется полуэмпирическая формула:
| M=11−(|U|Uлав.)n, | (2.80) |
где Uлав. — напряжение лавинного пробоя; U
– обратное напряжение p—n-перехода, не превышающее напряжения пробоя; m — параметр, который определяется экспериментально и зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы
p—n-перехода (см. табл.).
С учетом лавинного размножения носителей заряда ВАХ p—n-перехода в области лавинного пробоя определяется выражением:
| I=MI=I1−(|U|Uлав.)n. | (2.81) |
Анализ выражения (2.81) показывает, что при лавинном пробое заметный рост тока начинается при |U|≈0,3Uлав., а при |U|=Uлав. M→∞, что соответствует неограниченному росту обратного тока перехода, который практически ограничивается сопротивлением внешних цепей.
Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: чем больше ширина запрещенной зоны, тем большую энергию должен приобрести носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле p—n-перехода, чтобы вызвать ударную ионизацию, поэтому большей ширине запрещенной зоны соответствует большее напряжение лавинного пробоя.
Повышение температуры приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда, поэтому для приобретения носителями энергии, достаточной для ударной ионизации атомов, требуется большая напряженность электрического поля. Следовательно, при повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, то есть температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.
Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования (удельного сопротивления) базы p—n-перехода. Эта зависимость выражается полуэмпирической формулой:
| Uлав.=aρБm, | (2.82) |
где параметры a и m
приведены в табл.
Из выражений (2.78), (2.79) и (2.82) следует, что отношение напряжений туннельного и лавинного механизмов пробоя находится в прямой зависимости от удельного сопротивления базы перехода: Uтун.Uлав.=ρБ1-m. При высоких значениях удельного сопротивления базы Uтун.>Uлав. и пробой носит лавинный характер; при низких значениях удельного сопротивления базы Uтун.<Uлав. и пробой носит туннельный характер.
На практике механизм пробоя определяют по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.
Подрывные устройства
Пробой диэлектрика в твердом изоляторе может навсегда изменить его внешний вид и свойства. Как показано на этой фигуре Лихтенберга
Подрывное устройство предназначено для электрического перенапряжения диэлектрика за пределами его диэлектрической прочности таким образом , чтобы преднамеренно причиной электрического пробоя устройства. Нарушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в состояние с высокой проводимостью . Этот переход характеризуется образованием электрической искры или плазменного канала, за которым может следовать электрическая дуга через часть диэлектрического материала.
Если диэлектрик является твердым, постоянные физические и химические изменения на пути разряда значительно снизят диэлектрическую прочность материала, и устройство можно использовать только один раз. Однако, если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после того, как ток через плазменный канал будет прерван извне.
Коммерческие искровые разрядники используют это свойство для резкого переключения высокого напряжения в импульсных энергосистемах , для защиты от перенапряжения в телекоммуникационных и электроэнергетических системах, а также для зажигания топлива через свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания . Искровые передатчики использовались в ранних радиотелеграфных системах.
Основные понятия и виды старении изоляции
Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2—97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция — это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающиеся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмосферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являются воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в атмосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.
В эксплуатации на внутреннюю изоляцию электрооборудования воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, именуемое старением. Как правило, изменения свойств изоляции носят необратимый характер и завершаются пробоем. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восстановительного ремонта изоляции .
Процессы старения изоляции ограничивают срок службы изоляционных конструкций. Поэтому при разработке, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования высокого напряжения должны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоляции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно 20—30 лет и более).
Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуатации происходит за счет воздействия на нее различных видов энергии. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникновением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.
Электрическое старение изоляции
Электрическое старение может происходить при напряженостях электрического поля во много раз (5—20) меньше пробивных напряжений. С увеличением напряжения, приложенного к изоляции, темпы электрического старения возрастают, а срок службы соответственно уменьшается. Экспериментально установлено, что зависимость срока службы т от значения воздействующего напряжения U в диапазоне значений от единиц до 104 ч имеет вид
где А — постоянная, зависящая от свойств изоляции; n — показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения (n = 4—8 при напряжении промышленной частоты и n = 9… 12 при постоянном напряжении).
Для области больших сроков службы (более 104 ч) используют другую формулу:
где Uчр — напряжение появления в изоляции частичных разрядов, являющихся основной причиной электрического старения внутренней изоляции.
Типичным значением постоянной А для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6-109 год/(кВ)n. Показатель степени п обычно выбирают равным 6. Таким образом, формула (7.2) записывается так:
Частичные разряды представляют собой локальные пробои ослабленных участков изоляции, которыми являются газовые полости. Зависимости t =f/( U) получили название «кривых жизни» изоляции. Формулой пользуются для случая, когда U > Uчp. При U < Uчр электрического старения изоляции не происходит, и срок ее службы неограниченно возрастает. На рисунке 2.1. приведена «кривая жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе Рисунок 2.1 — Электрическое старение изоляции в логарифмическом массштабе
