CC BY
18
*
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 152 Ь)(ю
ВЛИЯНИЕ БАРЬЕРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Д. Д. РУМЯНЦЕВ Представлена научным семинаром кафедры Т В Н
Для увеличения электрической прочности изоляционных конструкций широко применяются барьеры- Наличие барьеров в разрядном промежутке в жидких диэлектриках и воздухе приводит к значительному увеличению пробивных напряжений [1 — 3]. Установлено, что барьерный эффект наблюдается и в твердых диэлектриках [4 — 6].
Показано [5], что барьеры из гетинакса и текстолита в чистом парафине и кабельной массе МК-45 повышают пробивное напряжение до 160—170%. Барьеры из полиэтиленовой и триацетатной пленок в целлулоиде и каменной соли [6] увеличивают пробивное напряжение образцов на 10—70% по отношению к пробивному напряжению без барьера при воздействии постоянного, переменного и импульсного напряжений.
Данная работа ставит своей задачей выявить наличие барьерного эффекта в сложном диэлектрике, каким является бумажно-масляная изоляция, и получить качественные зависимости изменения £/Пр бу-мажно-масляной изоляции при наличии тонких высокопрочных барьеров.
ЧАСТЬ I.
Исследовалось влияние барьеров на кратковременное пробивное напряжение бумажно-масляной изоляции в резко неравномерном поле электродов «острие-плоскость».
Исследования проводились на и-мпульсном напряжении при пог ложительной и отрицательной полярности импульса и на переменном напряжении промышленной частоты. Источником импульсного напряжения служил ГИН на 1000 кв с емкостью в разряде 0,022 мкф. Длина фронта импульса изменялась от 0,5 * 10" 6 сек до 10~г> сек. Пробой происходил всегда на фронте импульса. Напряжение на образце измерялось с помощью осциллографа ОК-19М.
Источником переменного напряжения служил испытательный трансформатор на 150 кв- Напряжение повышалось плавно до прог боя. Скорость подъема напряжения составляла 5 кв/сек.
Образцы набирались из листов кабельной бумаги толщиной: ОД 2 мм. Бумага пропитывалась чистым трансформаторным маслом без вакуумировки и сушки. Листы размером 20X20 см накладывались друг на друга, образуя «пакет». Пакет состоял из 20 листов в^ экспериментах на импульсном напряжении» из 15—на переменном.* Образец зажимался в изоляционную рамку, чем обеспечивалась одинаковая толщина прослоек масла. Чтобы уменьшить вероятность воздушных включений между листами, операция сборки образца осуществлялась под маслом.
Барьер помещался между листами. В качестве барьеров использовались пленки из полиэтилена, полистирола и фторопласта — 4. Толщина пленок составляла 25 — 30 мк.
На каждую точку производилось 15 — 25 пробоев. Перекрытые или частично перекрытые образцы отбраковывались. Повышение про^ бивного напряжения подсчитывалось по формуле:
и(
иг
и,
где
—пробивное напряжение образца с барьером, ио — пробивное напряжение образца без барьера, подсчитанные как среднее арифметическое из ряда измерений.
Ниже приведены некоторые характерные зависимости, полученные в экспериментах.
На рис- 1 представлена зависимость повышения пакета ка-
бельной бумаги от расположения барьера из фторопласта — 4. Как следует из рисунка, наибольшее увеличение £/пр наблюдается при
Рис. 1. Влияние положения барьера на пробивное напряжение пакета кабельной бумаги. Импульсы положительной полярности.
1, — тф> =,0,5-Ю-о сек, 2
Фр
10
сек,
3 — переменное напряжение 50 гц.
расположении барьера? на 0,2 — 0,4 толщины образца от острия на импульсном напряжении; на переменном напряжении — близко к середине образца. Влияние барьера более существенно на импульсах большей длительности. Зависимость, аналогичная кривым 1 и 2 (рис. 1), полученная при длине фронта импульса 3 • Ю-5 сек, занимает промежуточное положение между кривыми 1 и 2.
Исследование влияния барьера на £/пр при положительных и отрицательных импульсах позволило установить, что полярность импульса при временах 10 ~5 сек и менее не имеет существенного значения. Однако, когда барьер располагается вплотную к острию, небольшое упрочнение наблюдается при положительной полярности импульса и не наблюдается при отрицательной полярности.
Изменение £/пр пакета в зависимости от расположения барьера из различных материалов представлено на рис. 2. Максимальное повышение ипр (на 16%) наблюдается при расположении барьера из полистирола (3) на ОД толщины образца. Барьеры из фторопласта (2) и полиэтилена (1)* дают повышение ¿/пр на 12% и 10% соответ-
Р и с. 2. Влияние положения барьера на пробивное напряжение пакета кабельной бумаги. Импульсы положительной полярности, тфр— Ю-•Г) сек. Материал барьера: 1—полиэтилен, 2 — фторопласт-4, 3 — полистирол.
В таблице 1 приведены данные по электрической прочности барьеров в поле электродов «острие-плоскость».
Поскольку прочность самого барьера невелика по отношению к прочности пакета (табл. 1) и прочность образца с барьером значительно выше, чем суммарная прочность отдельно образца и барьера, то можно говорить о «барьерном эффекте» в бумажно-масляной изоляции. Исходя из полученных результатов (рис. 2, табл. 1), можно заключить, что барьерный эффект в бумажно-масляной изоляции выше при наличии барьеров с большим £/пр.
ственно.
12
6
Таблица I
Материал
Вид напряжения
Число слоев
1. Кабельная бумага, пропитанная трансформат. маслом (пакет)
2. Фторопласт-4
3. Полиэтилен
4. Полистирол
НИИ. 20 29Г)
не рем. 15 9П
и м и. Г» 40
нерем. 1 5—Г»
ими. г> 30
не рем. 1 3,5—4,5
ими. Г) 40
перем. 1 5—0
Представляло интерес исследовать влияние двух барьеров на ¿/Нр пакета кабельной бумаги. В таблице 2 приведены результаты экспериментов.
Т а б л и ц а 2
Расположен ие барьеров
Б,/5 %
У с л оки и :>кс п е ри ме нт а
1 барьер 2 барьер
Импульсы положительной полярности с длиной фронта К)-5 сек, число листом в пакете — 20; материал барьером — полистирол
0.1
0,1 о,зг>
0,35
0,1
о,зг>
0ДГ> 0,7
18
30 15 13
Как видно из таблицы 2, максимальное увеличение £/Ир (до 130%) наблюдается при расположении барьеров на 0,1 и 0,35 толщины образца. Другие комбинации расположения барьеров дают меньшее повышение ¿/|ф.
ЧАСТЬ II.
Экспериментальные результаты, приведенные в ч. 1, показывают» что барьеры из тонких высокопрочных пленок значительно увеличивают кратковременное пробивное напряжение бумажно-масляной изоляции.
Для выяснения возможности практического применения этого явления проведены эксперименты по исследованию влияния барьеров из полиэтиленовой пленки на прочность бумажно-масляной изоляции в неравномерном поле электродов «диск-плоскость». Эксперименты проводились на переменном напряжении промышленной частоты. Источником высокого напряжения служил испытательный трансформатор на 150 кв•
Высоковольтным электродом служил латунный диск с острыми краями диаметром 40 мм. Заземленным электродом служила алюминиевая фольга, вырезанная в форме круга диаме сом 120 мм. При исследовании влияния барьеров на электрическую прочность бумажно-масляной изоляции в равномерном поле эле] - родами служили плоскость с закругленными краями диаметром 40 мм и лист фольги размером, превышающим размер образца.
Образцы приготовлялись описанным выше способом- Число листов бумаги в образце — 12. Часть образцов была приготовлена из высушенной и пропитанной под вакуумом кабельной бумаги. Образцы сушились и пропитывались при остаточном давлении 1 мм рт. ст. Температура сушки образцов — 100—110°С, температура пропитки — 55—65°С [7].
В качестве барьера использовалась полиэтиленовая пленка толщиной 40—50 мк. Полиэтилен был выбран нами из соображений, что он обладает большей термической стойкостью по сравнению с полистиролом* что важно при подсушке и пропитке. По сравнению с фторопластом-4, полиэтилен значительно дешевле, менее дефицитен и может быть изготовлен в виде рулонов пленки практически неограниченной ширины.
Барьер располагался между листами бумаги через 4 листа от высоковольтного электрода. В экспериментах с двумя барьерами первый располагался через 2 листа от высоковольтного электрода, ято-рой — через 4. В опытах с 3 и 4 барьерами они располагались через 2, 4, 8 и 2, 4, 6, 9 листов соответственно.
Подаваемое на образец напряжение поднималось со скоростью 6,5—7 кв сек до 0,75 предполагаемого ¿/1ф , а затем до пробоя со скоростью 1,5—2 кв'сек, что составляло 2—2.5% £/нр в секунду.
При исследовании влияния устойчивой ионизации на барьерный эффект в бумажно-масляной изоляции иод напряжение ставилось одновременно по 6 образцов с барьером и без барьера. Величина напряженности, при которой возникает устойчивая ионизация, рассчитывалась по формуле, данной в [8], и равнялась 14,6 не ¡'мм.
75
50
25
О
76 80 84 88 92 95 11 к б
Рис. 3. Интегральные функции распределения образцов по 1 — без барьера, 2 — с одним барьером, 3 — с двумя барьерами.
В [8] указывается, что напряженность возникновения устойчивой ионизации в бумажно-масляной изоляции значительно ниже, если пропитка производилась при остаточном давлении 200 мм рт. ст. и выше. В данных опытах образцы пропитывались без вакуума, и следовательно, при напряженности 14,6 кв мм устойчивая ионизация была гарантирована.
По истечении 120 минут или 480 минут напряжение отключалось, а затем определялось кратковременное £/пр по обычной методике.
Для измерения времени до пробоя (т) напряжение быстро поднималось до 0>6 иир образцов без барьера и сохранялось неизменным до пробоя.
При определении интегральных функций распределения образцов по иир и х пробивалось по 30—60 образцов. В остальных экспериментах на каждую точку пробивалось 12—15 образцов. Погрешность измерения напряжения составляла 2%.
Ниже приведены результаты экспериментов.
На рис. 3 представлены интегральные функции распределения образцов без барьера (1), с одним (2) и двумя (3) барьерами по величине кратковременного ¿У11р. Как видно из рис. 3, при 50% вероятности пробоя один барьер увеличивает £/пр на 9%, а два — на 17% по отношению к 1!п без барьера.
75
50
25
4
$1 ' /
А 1 о/ / /
ио ВО
120
160
200 2^0 Т,свк
Рис. 4. Интегральные функции распределения образцов по 1 — без барьера, 2 — с одним барьером. 3 — с двумя барьерами.
На рис. 4 приведены интегральные функции распределения образцов по времени до пробоя (" ) при напряжении, равном 0,6 £/пр . Из рисунка следует, что образцы с барьером (2) имеют ^ в 2 раза, а с двумя барьерами (3) в 2,5 раза выше, чем образцы без барьера (1). Следует отметить, что при наличии барьеров разброс значений по т значительно выше, чем по
На рис. 5 приведены зависимости £/пр от числа барьеров при неизменном числе листов (1) и от числа листов (2) в образце. Как видно из рис. 5, два барьера увеличивают на 17%, тогда как при увеличении числа листов бумаги в образце с 12 до 15 ¿Упр возрастает на 13%. Очевидно» что для увеличения £/пр при ограничении в толщине изоляции целесообразно применение барьеров.
В таблице 3 приведены данные по исследованию барьерного эффекта в бумажно-масляной изоляции в различных условиях.
11,кб
100
00
80
70
1> >
г
2/
60
50
О
2
д
12
П
П
Рис. 5. Влияние числа барьеров и числа листов на £/пр пакета кабельной
бумаги. 1—влияние числа барьеров (в образце 12 листов), 2— влияние числа листов (образцы без барьера).
Т а б л и ц а 3
УелоНИИ эксперимента Неравномерное ноле Стареппе 120 мин. i Старение) Т= j 480 мин. 1 | Равномерное поле Сушка и пропитка под вакуумом
Об раз!\ы Г>ез 6а рье ра U, не 81,1 81,1 81,2 90,3 103,2
Барьер из полиэтилено-
вой иргенкм U, не 88,4 88,6 88,4 98,7 113,0
Повышение ¿/мр 9,0 9,3 9,0 9.4 9,5
Как следует из таблицы 3, увеличение Unp за счет барьера наблюдается: в равномерном и неравномерном поле; при наличии усг тойчивой ионизации в течение 480 минут; в образцах, пропитанных под вакуумом.
Известно, что полимерные пленки обладают слабой короностой-костью. Однако в [9] показано, что кратковременное сохра-
няется неизменным до 0,75 t. Следовательно, барьеры из полимерных пленок должны повышать U{ф в случае кратковременного существования ионизации в бумажной-масляной изоляции. Это подтверждается нашими экспериментами.
Поскольку в бумажно-масляной изоляции недопустимо длительное существование ионизации, можно говорить о практическом при менении пленочных барьеров в бумажно-масляной изоляции. О возможности практического применения барьеров в бумажно-масляной изоляции говорит и то, что барьеры увеличивают Unр в равномерном и неравномерном полях, в пропитанной под вакуумом изоляции.
ВЫВОДЫ
1. В бумажно-масляной изоляции при наличии барьеров из высокопрочных пленок (полиэтилен, фторопласть4, полистирол) наблюдается повышение £/пр на 10—20% на импульсном и переменном напряжении.
2. Максимальное упрочнение барьер оказывает при расположении на ОД—0^4 толщины образца от высоковольтного электрода.
3. Повышение ¿/пр при наличии барьера из полиэтиленовой пленки наблюдается в равномерном и неравномерном поле.
4. Барьеры из полиэтиленовой пленки повышают Unp при наличии устойчивой ионизации в бумажно-масляной изоляции.
5. Повышение Unр бумажно-масляной изоляции при помощи пленочных барьеров может найти применение при конструировании высоковольтной изоляции.
ЛИТЕРАТУРА
1. f> о л о щ с п к il II. Ф. «Электричество», 3, 21. I94(i.
2. Коме л г, к о в И. С., Л и ф щ и ц А. Д1. «Изв. Ail СССР» К), 39,
3. iii и л в a il А. А. Тр. ЛПИ, 1, 300, 1954.
4. Леонтьев i(). IJ., Т о р б и н JÏ. _М. «Изв. вузов «Энергетика», 12, 34, 1901.
Мигов Б. Годи ni ни к м а u * - :>л е к тр отех н. ин-т, 0, 2, 27. ¡959 (Пол г.).
6. Румянцев Д. Д., Торбин Н. М. «Пробой диэлектриков * полупроводни-
ков». Сб. докладов IV Межвузовской конференции, 170, 1964.
7. Грейсух М. А., К у ч и н с к и й Г. С. и др. Бумажпо-масляная изоляция в вы-
соковольтных конструкциях, ГЭИ, 1963.
8. Кучинский Г. С., Каплан Д. А., Тихонова О. В. «Изв. вузов «Энерге-
тика». 8, 3'.). 11)59.
9. К о й к о в С. II., Платонов М. П., Цикин А. Н. Тр. конф. «Ионизационное
старение, короностойкость», 27, ЦИНТИЭП, 1963.
