1.2.2.4. Длительная электрическая прочность твердых диэлектриков

При длительной эксплуатации электроизоляционных устройств происходит старение твердой изоляции, которое выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности, увеличении проводимости и диэлектрических потерь и, как следствие, в ограничении срока службы изоляционных конструкций. В связи с этим при разработке и изготовлении оборудования высокого напряжения, а также при организации его эксплуатации должны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоляции. Изменение свойств изоляции при эксплуатации происходит за счет: электрического и теплового полей, поля механических напряжений, химического взаимодействия с окружающей средой.

Причинами старения внутренней изоляции являются:

• старение вследствие развития частичных разрядов (независимых разрядов в имеющихся порах или образующихся дендритах) при перенапряжениях и рабочем напряжении;

• тепловая деструкция материала;

• увлажнение изоляции и водный триинг (рост древовидных, насыщенных водой фигур);

• электрохимическое старение;

• механическое старение и повреждения за счет электродинамических усилий, вибраций и т. п.

Как правило, при воздействии электрического поля изоляция подвержена комплексу названных выше воздействий или, в крайнем случае, двум-трем факторам, но преобладать может какой-то один. Такое многофакторное воздействие до настоящего времени не позволяет связать «время жизни» изоляции с каким-либо одним определяющим фактором.

Старение имеет место при напряженностях электрического поля, во много раз меньших пробивных при кратковременном приложении напряжения (в 5–20 раз и более). С увеличением напряжения U, приложенного к изоляции любого типа, темпы электрического старения возрастают, а срок службы t, соответственно, уменьшается. Зависимость t = f(U) в широком диапазоне времен имеет сложный характер. Интенсивность электрического старения любой изоляционной конструкции зависит не только от значения воздействующего напряжения, но и от ряда факторов, неподдающихся контролю, например от количества, размеров и расположения микронеровностей на поверхности электродов и микро-, макронеоднородностей в объеме изоляции. Поэтому срок службы изоляционной конструкции любого типа при заданном напряжении является величиной случайной.

Электрическая прочность при длительном приложении напряжения характеризует способность изоляции выдерживать рабочее напряжение в течение определенного срока службы и численно определяется напряженностью электрического поля (напряжением), приводящей к разрушению изоляции к концу заданного периода эксплуатации, например через 20–30 лет.

Для описания общего вида отказов изоляционных устройств во времени используют зависимость интенсивности отказов (t). Эта важная характеристика определяет надежность работы изоляции в каждый момент времени t.

Интенсивность отказов (t) есть вероятность того, что электроизоляционное устройство, дожившее до момента t, откажет за следующую единицу времени. Функция (t), приведенная на рис. 1.37, имеет большое практическое значение для анализа результатов времени работы объекта. На рис. 1.38 в общем виде приведена зависимость (t).

Рис. 1.37. Зависимость интенсивности отказов электроизоляционных устройств от времени работы

На рис. 1.37 различают 3 области:

I – область начальных отказов – область приработки (t₀ – t₁);

II – область случайных отказов – рабочая область (t₁ – t₂);

III – область износовых отказов – старение (t > t₃).

Область I – приработка – связана с выходом из строя (отказами) изоляции за счет грубых технологических дефектов в процессе ее изготовления. К концу периода (t₀ – t₁) эти дефекты полностью выявляются и интенсивность отказов резко понижается. Следовательно, при правильно проведенных предварительных заводских испытаниях можно выявить брак в изоляции и повысить надежность ее эксплуатации в работе.

Область II – внезапные случайные отказы, которые не могут быть устранены приработкой. Они возникают внезапно и определяются случайным сочетанием ряда неблагоприятных факторов, действующих на изоляцию, – высокие амплитуды перенапряжений, перегрев изоляции, повышенные случайные механические нагрузки, атмосферные воздействия и др. Здесь интенсивность отказов остается величиной постоянной.

Область III – отказы вызываются общим старением изоляции (износовые отказы), которые связаны с длительным приложением электрического поля к изоляции и всеми сопутствующими ему процессами. Увеличение времени работы изоляции больше t₂ нецелесообразно, т. к. это приводит к снижению надежности ее работы, увеличению аварийности.

Наиболее желательной областью эксплуатации электроизоляционных устройств является область случайных отказов (t₁ – t₂), в которой интенсивность отказов минимальна.

Задача выбора рабочей напряженности Е_р для высоковольтного изоляционного устройства, обеспечивающей требуемый срок службы, достаточно сложна и требует большого объема экспериментальных исследований, поскольку в большинстве случаев расчеты базируются на эмпирических предпосылках. Эффективным методом определения Е_р является расчет по уравнению «кривой жизни». Это уравнение является основной характеристикой, позволяющей экстраполировать экспериментальные результаты в область рабочих напряженностей электрического поля. Оно наиболее часто записывается в виде

(1.66)

где t – «время жизни» изоляции при напряженности Е; А, n – коэффициенты, определяемые экспериментально: коэффициент А – известное значение «времени жизни» t₀ при заданной напряженности Е₀, т. е. ; коэффициент n – тангенс угла наклона «кривой жизни» (рис. 1.38) – коэффициент скорости старения: n = tg.

Подставляя значения коэффициентов в (1.63), получим:

. (1.67)

Исследования поведения «кривой жизни» в широком диапазоне напряженностей электрического поля показали, что для полимеров в координатах lg t и lg E она состоит из двух прямолинейных участков (рис. 1.37), для которых А и n различны.

В этой связи уравнение (1.66) будет иметь вид

, (1.68)

где i = 1, 2, т. е. для каждого участка должны быть определены свои значения А и n: А₁, n₁ относятся к Е > E_и, а А₂, n₂ – к Е < E_и. Точка перегиба lgt(lgE_и) (рис. 1.38) соответствует напряженности, при которой уменьшение Е приводит к исчезновению критических частичных разрядов, увеличению коэффициентов А и n и резкому увеличению времени до пробоя.

В ыражение (1.66) имеет существенный недостаток – невозможно прогнозировать надежность работы изоляции, поскольку отсутствует вероятностная оценка отказов. При длительном воздействии электрического поля на партию идентичных электроизоляционных устройств будет иметь место большой разброс времени до пробоя, достигающий нескольких порядков.

Пробой – явление случайное, связанное с индивидуальными особенностями микро- и макроструктуры изоляции отдельных изделий. Пробой происходит в наиболее слабом месте изоляции. Концепция «слабейшего звена», которая учитывает распределение минимальных сроков службы, на сегодня является наиболее разработанной в приложении к теории пробоя электрической изоляции. С этой точки зрения наиболее приемлемым и физически обоснованным для описания «времени жизни» является вероятностное уравнение Вейбулла. Для конкретного значения испытательной напряженности электрического поля Е_исп функция распределения времени до пробоя имеет вид

(1.69)

где Q(t) – вероятность пробоя изоляции; В и b – параметры уравнения Вейбулла, определяемые экспериментально.

Практическая ценность выражения (1.69) заключается в возможности оценки долговечности работы изоляционного устройства с любым уровнем надежности. Для описания «кривой жизни» уравнение Вейбулла имеет вид

(1.70)

где С, а – определяемые экспериментально параметры уравнения Вейбулла, описывающие распределение пробивных напряженностей изоляции.