Wytrzymałość dielektryczna: definicja i przyczyny spadku

Zmysł fizyczny

Natężenie pola elektrycznego wzrasta wraz ze wzrostem napięcia między przewodami, może być płytki kondensatorów lub rdzenie kabli (w pojedynczym uzwojeniu), w pewnym momencie następuje awaria izolacja. Wartość charakteryzująca napięcie w momencie przebicia nazywana jest wytrzymałością dielektryczną i jest określona wzorem:

tutaj: U - napięcie między przewodami, d - grubość dielektryka.

Wytrzymałość dielektryczna jest mierzona w kV / mm (kV / cm). Ten wzór dotyczy płaskich przewodów (w postaci pasków lub płytek) z równą warstwą izolacji między nimi, na przykład w papierowym kondensatorze.

Zwarcia w urządzeniach elektrycznych i kablach powstają właśnie z powodu przebicia izolacji, w tej chwili nie ma łuk elektryczny. Dlatego wytrzymałość dielektryczna jest jedną z najważniejszych cech izolacji. Wymagania dotyczące wytrzymałości dielektrycznej izolacji urządzeń elektrycznych i instalacji elektrycznych napięcie 1 - 750 kV są określone w GOST 55195-2012 i GOST 55192-2012 (metody badania wytrzymałości elektrycznej w miejscu instalacji).

Rodzaje awarii

W przypadku jednorodnych dielektryków rozróżnia się kilka rodzajów awarii - elektryczny oraz termiczny. Jest też inny jonizacja przebicie, które jest konsekwencją jonizacji wtrąceń gazu w stałym dielektryku. Wytrzymałość dielektryczna dielektryków pod wieloma względami zależy od niejednorodności pola i występowania procesów jonizacji gazu (intensywność i natura) lub innych zmian chemicznych w materiale. Prowadzi to do tego, że przebicie w tym samym materiale następuje przy różnych napięciach. Dlatego napięcie przebicia jest określane przez wartość średnią na podstawie wyników wielu testów. Zależność wytrzymałości dielektrycznej gazu od gęstości (ciśnienia) i grubości warstwy gazu wyraża prawo Paschena: U_NS= f (pA)

Gaz i izolacja

Wydawałoby się, z czym wiąże się jonizacja gazów i izolacja urządzeń elektrycznych? Gaz i elektryczność są ze sobą ściśle powiązane, ponieważ jest doskonałym dielektrykiem. Dlatego do izolowania urządzeń wysokiego napięcia stosuje się medium gazowe.

Jako dielektryk zastosowano: powietrze, azot i SF6. Gaz SF6 to sześciofluorek siarki, najbardziej obiecujący materiał pod względem izolacji elektrycznej. Do dystrybucji i odbioru energii elektrycznej wysokiego napięcia, powyżej 100 kV (gniazdo elektrowni, odbiór) elektryczność w dużych miastach itd.), używane są kompletne rozdzielnice; (GIS).

Głównym obszarem zastosowania gazu SF6 jest właśnie GIS. Gaz, oprócz zastosowania jako izolacja elektryczna, może powstawać podczas eksploatacji kabli wypełnionych olejem (lub kabli z impregnowaną izolacją papierową). Ponieważ następuje cykliczne nagrzewanie i chłodzenie kabla w wyniku przejścia napięć o różnych wartościach.

W przypadku kabli z impregnowaną izolacją papierową stosuje się termin „zniszczenie termiczne”. Piroliza celulozy wytwarza wodór, metan, dwutlenek węgla i tlenek węgla. Podczas procesu starzenia izolacji powstające w ten sposób formacje gazowe (przy podwyższonym napięciu) powodują przebicie jonizacyjne izolacji. Ze względu na zjawiska jonizacji kable elektroenergetyczne z papierową izolacją impregnowaną olejem (lepkim impregnacji) są stosowane w liniach elektroenergetycznych o napięciu do 35 kV i są coraz rzadziej stosowane w nowoczesnych energia.

Przyczyny spadku wytrzymałości dielektrycznej

Najbardziej negatywny wpływ na wytrzymałość dielektryczną izolacji ma napięcie przemienne i temperatura. Przy napięciu przemiennym, czyli napięciu zmieniającym się od czasu do czasu, na przykład elektrownia wytwarza 220 kV, z powodu awarii technicznej lub planowanej naprawy, wartość napięcia została obniżona do 110 kV, po naprawie ponownie wynosiła 220 kV. Jest to napięcie przemienne, czyli zmieniające się w określonym czasie. Ze względu na fakt, że w Federacji Rosyjskiej 50 procent instalacji elektrycznych do przesyłu energii elektrycznej jest już wyczerpały swój zasób (i jest to 25-30 lat), wtedy napięcie przemienne jest dość częste zjawisko. Średnia wartość tego napięcia jest wyznaczana za pomocą wykresu:

Lub określony wzorem:

Temperatura nagrzewania się kabla, ze względu na przepływ prądu elektrycznego, znacznie skraca żywotność przewodu (następuje tzw. starzenie się izolacji). Na wykresie przedstawiono zależność wytrzymałości na przebicie w różnych temperaturach:

Wytrzymałość elektryczna kabli zasilających

Najbardziej wymagającą branżą pod względem wytrzymałości dielektrycznej są prawdopodobnie produkty kablowe. W Rosji głównym rodzajem kabli stosowanych w energetyce (zaprojektowanych na napięcie znamionowe do 500 kV) są kable olejowe z izolacją papierową.

Co więcej, im wyższe napięcie znamionowe, dla którego są zaprojektowane, tym większa masa kabla. Jako impregnację stosuje się olej odgazowany i o niskiej lepkości (MH-3, MH-4 i analogi). Wzrost ciśnienia oleju prowadzi do wzrostu wytrzymałości dielektrycznej izolacji olejowej i papierowej. Kable o ciśnieniu 10-15 atmosfer są używane przy wysokim napięciu, wartość wytrzymałości osiąga 15 kV / mm.

W ostatnich latach kable wypełnione olejem zostały zastąpione kablami XLPE. Są lżejsze, łatwiejsze w obsłudze, a ich żywotność jest taka sama. Ponadto PSE nie są tak wrażliwe na zmiany temperatury i nie wymagają dodatkowego wyposażenia, takiego jak zbiorniki wyrównawcze oleju (w celu kompensacji nadmiaru oleju przy różnych ciśnieniach). Kable XLPE są łatwiejsze w instalacji oraz łatwiejsze w utrzymaniu i konserwacji.

Cały świat opracowuje specjalnie kable XLPE, co doprowadziło do tego, że takie przewodniki są już zauważalnie lepsze w swoich parametrach niż kable olejowane:

Jedyną wadą ŚOI jest intensywne starzenie się, jednak liczne badania wszystkich światowych producentów spowolniły ten proces. Tak zwane zadrzewienia nie są już przyczyną awarii izolacji. Wzrost zużycia energii we współczesnym świecie stymuluje rozwój nie tylko źródeł zasilania, ale także wyrobów kablowych i rozdzielnic. W energetyce główny nacisk kładziony jest na badania wytrzymałości dielektrycznej izolacji.

Powiązane materiały:

• Ochrona kabla przed uszkodzeniami mechanicznymi
• Pomiar rezystancji izolacji kabla
• Przyczyny utraty mocy na długich dystansach