10.3. Условия работы изоляции конденсаторов
Факторами, влияющими на ресурс работы конденсаторов при больших импульсных токах является развитие теплового пробоя и электрическое старение. Первый фактор определяется частотой следования импульсов и, как следствие, тепловыми потерями, второй ‑ рабочей напряженностью и динамическими воздействиями.
Если к слоистой изоляции приложить напряжение, то напряженность поля распределяется обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям. В конденсаторах с бумажно-масляной изоляцией, в масле, обладающем меньшим , напряженность поля больше. Поэтому в масле с некоторой напряженности начинаются коронные явления и частичные пробои. Они особенно интенсивны у края обкладок и происходят в виде скользящих разрядов, интенсивность которых возрастает с ростом напряжения (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Скользящие разряды по изоляции между обкладками конденсатора.
Фактором, приводящим при его развитии к сквозному пробою секции конденсатора, являются частичные разряды (ЧР). Рассмотрим это явление, которое характерно там, где есть слоистая изоляция.
Значительную роль в возникновении ЧР играют пузырьки газа, включенные в изоляцию, которые могут возникать в толще изоляции по мере ее старения, разложения, и деградации, а также ослабленные частичными разрядами фрагменты изоляции. Рассмотрим схему замещения с включением пузырька газа (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Схема замещения изоляции конденсатора при наличии газового включения. Сх – емкость конденсатора; Св ‑ емкость газового включения; Сд ‑ емкость диэлектрика ,расположенного над включением.
Емкость газового включения Св
накапливает заряд
и при достижении определенного напряжения
происходит его пробой и заряд
нейтрализуется. Далее такие ЧР повторяются.
Различают начальные и критические ЧР.
Начальные имеют значения нейтрализуемого
заряда
;
критические ЧР, при которых начинает
интенсивно разрушаться изоляция,
составляют
.
ЧР своим местным тепловым воздействием
приводят к ускоренной деградации
изоляции. По мере ее разрушения растет
интенсивность ЧР, которая приходит к
критической, при которой ЧР приводят к
интенсивному газовыделению, быстро
разрушают изоляцию и приводят к ее
пробою.
Способы снижения и исключения ЧР:
‑ уменьшение толщины диэлектрика
при неизменной напряженности поля у
края диэлектрика (ЧР растет пропорционально
).
‑ хорошее вакуумирование перед пропиткой диэлектрика маслом и повышенное давление при пропитке ‑ это исключает газовые пузырьки.
‑ оптимизация распределения напряженности поля, исключение его неоднородностей.
При конструировании конденсаторов в зависимости от их назначения решается вопрос: если требуется большой ресурс, то необходимо в проект закладывать малые напряженности поля в изоляции, но при этом конденсаторы имеют малую удельную энергоемкость и, соответственно, большие габариты.
При требовании большой удельной энергоемкости - малый ресурс, режимы ЧР.
В первом случае требования предназначены для конденсаторов, эксплуатируемых при больших частотах повторения импульсов, главным образом в технологических установках.
В физических исследованиях, в установках с малым коэффициентом использования применяют конденсаторы с напряженностями на изоляции близкой к критической по ЧР.
Диагностика ЧР в изоляции будет рассмотрена позже.