1

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.

2

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

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 się może szereg zjawisk, rozpatrywanych często niezależnie jako

odrębne mechanizmy tworzenia się w oleju wyładowań elektrycznych.

3

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

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.

4

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

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.

Zależność natężenia przebicia oleju transformatorowego E

d

w funkcji wilgotności względnej

w

5

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 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

6

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

wydzielanie ciepła mogło być 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

7

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 występuje i inne formy wyładowania, charakteryzujące się tym, że 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

8

a - bush like tree

b - tree like tree

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 długotrwałą określoną stratami

dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natężenie winno być wybrane dużo

mniejsze, niż natężenie przy którym występują wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas

ż

ycia izolacji przyjmuje się obecnie na nie mniejszy niż 20 lat.