Wytrzymałość dielektryczna dielektryków ciekłych Wiadomości podstawowe W urządzeniach elektrycznych jako dielektryki stosuje się ciecze izolacyjne. Najpospolitszą grupę takich cieczy stanowią oleje mineralne, stosowane najczęściej w transformatorach i kablach. Są to produkty destylacji ropy naftowej zawierające mieszaninę węglowodorów nasyconych lub aromatycznych. Posiadają one wysoką wytrzymałość dielektryczną, duże przewodnictwo cieplne, zdolność chłodzenia lub gaszenia łuku. Są to płyny zapalne, zwłaszcza po podgrzaniu. Drugą grupę stanowią oleje syntetyczne. Są to głównie oleje polichlorofenylowe, których głównymi zaletami są: niepalność, wysoka wytrzymałość dielektryczna, duża przenikalność elektryczna i odporność na starzenie. Osobną grupę stanowią ciecze silikonowe, które charakteryzują się dużą odpornością na wysokie temperatury i mają niskie temperatury krzepnięcia. O własnościach cieczy izolacyjnych decydują nie tylko własności fizyczne ich podstawowych składników lecz w znacznej mierze: stopień zanieczyszczeń i zestarzenia się. Z tego względu zachowanie się cieczy jako dielektryka może być różne i mechanizm jej przebicia może wynikać z różnych przyczyn. W celu rozgraniczenia własności dowolnej cieczy mówić należy o oleju chemicznie czystym, o oleju technicznie czystym, w którym liczba domieszek jest sprowadzona do praktycznego minimum oraz o oleju znajdującym się w eksploatacji, w którym liczba zanieczyszczeń może być duża, lecz może jeszcze nie zagrażać prawidłowej pracy urządzeń Ponieważ liczba zanieczyszczeń i pogorszenie własności olejów w czynnych urządzeniach następuje z biegiem czasu wskutek starzenia, konieczna jest okresowa kontrola jakości oleju przez wykonywanie badań okresowych, których celem jest sprawdzenie własności fizycznych i elektrycznych. Własności fizyczne olejów mineralnych kontroluje się określając następujące wielkości: lepkość oleju, temperaturę krzepnięcia, temperaturę zapłonu i liczbę kwasową. Własności elektryczne sprawdza się badając jego wytrzymałość na przebicie w określonym przez normy układzie elektrod. Jeżeli okresowo badany olej nie ma zadowalających parametrów należy doprowadzić go stanu zdatnego do dalszej eksploatacji bądź wymienić go na nowy. Doprowadzenie do zadawalającego stanu może być osiągnięte przez filtrowanie w celu usunięcia zanieczyszczeń 35
stałych i wody, gotowanie lub odwirowanie w celem dalszego osuszenia. Regeneracja - polega także na chemicznej rafinacji i oddzieleniu składników szkodliwych, produktów utlenienia itp., które mogą pogarszać własności izolacyjne i zwiększać stratność dielektryczną oleju. Można szacować, że w temperaturze pokojowej przy napięciu przemiennym o częstotliwości 50 Hz, dobry olej powinien mieć współczynnik strat tg δ rzędu 10-4...10-3, podczas gdy olej zanieczyszczony produktami zestarzenia może mieć w tych samych warunkach tg δ rzędu 10-2...10-1, a nawet i więcej. Pomiar współczynnika strat dielektrycznych jest dlatego jeszcze jednym, ważnym wskaźnikiem jakości oleju. Zależność tg δ oleju transformatorowego od zawartości wilgoci w. Natężenie E = 5 kv/cm, temperatura 40 o C. Mechanizm przebicia oleju jest złożony i zależny od jakości i własności badanego oleju. Na mechanizm ten składać sięę może szereg zjawisk, rozpatrywanych często niezależnie jako odrębne mechanizmy tworzenia się w oleju wyładowań elektrycznych. Mechanizm elektronowy przebicia oleju W oleju pozbawionych zanieczyszczeń stałych, płynnych lub gazowych przebicie układu izolacyjnego, podobnie jak w gazach, odbywa się na zasadzie tworzenia kanału plazmowego pomiędzy elektrodami. Osiągnięcie dużych natężeń pola przy katodzie staje się przyczyną autoemisji i jonizacji zderzeniowej prowadzącej do lawin, przy jednoczesnym powstawaniu ładunku przestrzennego, odkształcającego rozkład pola. Ruch elektronów powoduje równocześnie nagrzewanie i wrzenie otaczającej cieczy, wskutek czego kanał 36
wyładowania tworzy się w postaci gazowego kanału plazmowego. Rozwój tego kanału jest jednak wolniejszy niż w gazie i odbywa się z prędkością rzędu 3 10 5 cm/s. W oleju obserwowane być mogą wyładowania niezupełne w postaci świetleń, snopień i pozałamywanych kanałów. Powstające wyładowania rozkładają olej, przy czym produkty rozkładu zmieniają stopień czystości oleju i mogą wpływać na mechanizm wyładowania. Przyjmuje się, że olej, w którym powstają wyładowania, traci własności izolacyjne, wskutek czego ważne jest niedopuszczanie do wyładowań. Mechanizm gazowy przebicia oleju Mechanizm ten zachodzi w oleju czystym lecz nieodgazowanym, w którym znajdujący się w postaci pęcherzyków gaz może być wynikiem parowania składników lotnych, np. przy podgrzaniu, lub wynikiem zawartości powietrza. Mechanizm ten nazywany jest często jonizacyjnym. Pęcherzyki gazowe stają się zalążkami jonizacji lawinowej i silnie zjonizowany pęcherzyk staje się elementem kanału plazmowego. Pęcherzyk gazowy powiększa się i wydłuża w kierunku pola. Mechanizm gazowy tłumaczy obserwowaną często zależność wytrzymałości dielektrycznej oleju od ciśnienia, które wpływa na wartość naprężenia początkowego jonizacji w pęcherzykach gazowych. Mechanizm mostkowy przebicia oleju Mechanizm mostkowy występuje w oleju zanieczyszczonym. Przyczyną zanieczyszczeń mogą być ciała stałe, najczęściej włókniste oraz płynne, z których najważniejszą rolę odgrywa wilgoć. Włókna zanieczyszczeń ulegają przemieszczaniu w polu elektrycznym i zajmują położenie ukierunkowane siłami pola. Przy dużej gęstości zanieczyszczeń i przy jednoczesnym ich zawilgoceniu mają one tendencję do ustawiania się wzdłuż linii natężeń pola tj. na drodze, na której formuje się kanał wyładowania. Włókna łącząc się w tzw. mostki, wytwarzają pomiędzy elektrodami drogę o obniżonej wytrzymałości. Ponieważ tworzenie się mostka jest stosunkowo wolne, mechanizm mostkowy odgrywa rolę przy napięciach stałych i wolnozmiennych. Przy napięciach udarowych ten mechanizm nie występuje. Temu mechanizmowi przebicia można skutecznie przeciwdziałać stawiając pomiędzy elektrody układu izolacyjnego w przestrzeniach wypełnionych olejem przegrody izolacyjne z materiału stałego o niewielkiej grubości. 37
Zależność natężenia przebicia oleju transformatorowego E d w funkcji wilgotności względnej w Wytrzymałość dielektryczna dielektryków stałych Wiadomości podstawowe Przebicie dielektryka stałego, podobnie jak w przypadku dielektryka gazowego i ciekłego, polega na wytworzeniu się wyładowania i drogi silnie przewodzącej zwierającej elektrody układu izolacyjnego. Po wyłączeniu napięcia po przebiciu, dielektryk stały nie regeneruje się, przebicie powoduje trwałe zniszczenie układu i połączenie elektrod utworzoną, często zwęgloną drogą przewodzącą. Przebicie dielektryka stałego może być skutkiem zarówno osiągnięcia określonej wartości napięcia, jak i zmiany właściwości dielektryka przy danym napięciu. W każdym przypadku mechanizm przebicia może być złożony i wywołany pojedynczo lub wspólnie przez różne zjawiska fizyczne o niezależnych przyczynach. Dielektryk stały najczęściej współpracuje równolegle z innym dielektrykiem ciekłym lub gazowym, którym jest zazwyczaj powietrze. Przy jednoczesnym naprężeniu dielektryka gazowego o mniejszej wytrzymałości, przy wzroście napięcia, najczęściej dochodzi do wyładowania w gazie, nazywanego przeskokiem na izolatorze stałym, który nie ulega przebiciu. Celem spowodowania przebicia, dla określenia wytrzymałości dielektrycznej, dokonuje się zamiany współpracującego powietrza na dielektryk bardziej wytrzymały np. przez zanurzenie izolatora stałego w oleju. W przypadkach, gdy to jest niemożliwe lub niecelowe 38
określa się wytrzymałość dielektryków stałych nie na kompletnych wyrobach lecz na próbkach materiału stałego. Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego Mechanizm elektryczny nazywany jest również elektronowym lub mechanizmem istotnego przebicia dielektryka stałego. W mechanizmie tym podstawową rolę odgrywają wolne elektrony, pozostające w paśmie przewodnictwa ciała stałego, przyspieszane siłami pola. Wzrost natężenia pola i energii elektronów prowadzi do wybijania nowych elektronów z siatki strukturalnej dielektryka i do powstawania lawin. Związane jest z tym lokalne ogrzanie dielektryka, stopienie i wytworzenie przewodzącego kanału poprzez przestrzeń odgazowaną, która pozostaje w postaci trwałego uszkodzenia dielektryka. Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego może być obserwowany wówczas, gdy czas przyłożenia napięcia jest krótki. Zachodzi on w praktyce przy napięciach udarowych. W polach niejednorodnych przy jednokrotnym działaniu impulsu napięcia, mechanizm elektryczny prowadzić może do wytworzenia kanału wyładowania jedynie na pewnej drodze uszkadzając trwale część dielektryka w przestrzeni międzyelektrodowej. Ponowne przyłożenie napięcia spowodować może wydłużenie się kanału, który łączy często elektrody dopiero po pewnej liczbie udarów. Zjawisko to nosi nazwę kumulacji przebić częściowych i jest łatwo obserwowane w dielektrykach przezroczystych. Mechanizm cieplny przebicia dielektryka stałego Mechanizm cieplny przebicia występuje przy napięciach działających na dielektryk stały przez czas dłuższy np. kilka godzin. Stan taki zachodzi przy napięciach stałych i przemiennych. Ze względu na istniejące w dielektryku straty dielektryczne dielektryk nagrzewa się. Przy napięciach stałych straty wywołane są głównie przez przewodność skrośną. Przy napięciach przemiennych są one większe, gdyż do strat przewodnictwa dochodzą straty na polaryzację dielektryka proporcjonalne do jego przenikalności dielektrycznej i częstotliwości napięcia. Dielektryk po przyłożeniu napięcia nagrzewa się i wzrost lub ustalenie jego temperatury uzależnione są od warunków chłodzenia, od przewodności cieplnej dielektryka oraz od wysokości i zmian napięcia. Przy nadmiernym wzroście temperatury możliwe jest zniszczenie dielektryka przez stopienie, odparowanie, spalenie lub zwęglenie w znacznej objętości lub w ograniczonym kanale, w którym 39
wydzielanie ciepła mogło byćć największe. Ze względu na obecność napięcia i natężenia pola przegrzanie dielektryka ułatwia lub staje się bezpośrednią przyczyną powstania elektrycznego mechanizmu przebicia, lecz przy napięciu przebicia znacznie niższym, niż wynikałoby z wytrzymałości określonej przebiciem istotnym. Problem przebicia cieplnego występuje szczególnie drastycznie w układach izolacyjnych pracujących przy napięciach przemiennych o wielkiej częstotliwości Mechanizm jonizacyjno - starzeniowy przebicia dielektryka stałego Jednocześnie z elektrycznym i cieplnym mechanizmem przebicia w dielektrykach stałych występują i inne formy wyładowania, charakteryzujące się tym, żee przebicie zachodzi po długim czasie przyłożenia napięcia. Temu procesowi przebicia towarzyszą wyładowania niezupełne ( w skrócie `wnz` ), powstające wewnątrz izolacji w szczelinach między warstwami, pęknięciach, pustych miejscach lub przy zanieczyszczeniach. W tych miejscach wad technologicznych (defektach) występuje zwiększone natężenie pola powyżej wytrzymałości elektrycznej materiału i następuje nieodwracalne uszkodzenie dielektryka w postaci rozgałęzionych kanałów. Kanały te rozwijają się w funkcji czasu, dopóki nie pokryją całego odstępu między elektrodami. Ten rodzaj wyładowania o długim czasie rozwoju nazywany jest wyładowaniem drzewiastym. Fotografie kanałów wnz w polietylenie niskociśnieniowym a - bush like tree, b - treee like tree 40
Powstawanie wyładowań we wtrącinach zaczyna się po doprowadzeniu do układu napięcia zwanego napięciem jonizacji lub progiem jonizacji dielektryka stałego. Po przekroczeniu tego napięcia w dielektryku rosną straty i wzrasta energia pobierana ze źródła. Wzrasta więc istotnie wartość tg δ, wskaźnika strat dielektrycznych. Zależność tg δ izolacji stałej z wtrącinami gazowymi od napięcia U. Starzeniem nazywamy procesy zachodzące w dielektrykach, w wyniku których zmienia on i traci własności izolacyjne. Starzenie wynika nie tylko w wyniku oddziaływania pola elektrycznego, lecz również jest wynikiem zmian chemicznych bądź fizycznych zachodzących np. skutkiem utleniania, depolimeryzacji, działania ciepła, promieniowania itp. Na procesy te są częściej narażone materiały pochodzenia organicznego, przy czym starzenie występuje głównie wskutek działania cieplnego i wyładowań niezupełnych. Dlatego przy doborze wymiarów izolacyjnych konstrukcji z izolacją stałą należy uwzględniać nie tylko wytrzymałość krótkotrwałą, ale także i długotrwałąą określoną stratami dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natężenie winno być wybrane dużo mniejsze, niż natężenie przy którym występują wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas życia izolacji przyjmuje się obecnie na nie mniejszy niż 20 lat. 41