Механизъм на нарушаване на електрическата изолация
Веществото ще бъде изолатор (диелектрик) и материалът ще се нарече изолационен, ако при поставяне между електродите и прилагане на разлика в електрическите потенциали към електродите през него не протича електрически ток или е много малък (10 19 -10 16 A). Електрическият ток не протича поради липсата на свободни електрони в диелектрика (за разлика от металите). Всички електрони в диелектрика са силно свързани с ядрата на неговите атоми (молекули). Необходима е много енергия, за да се разруши тази връзка. Ако в диелектрика се появи свободен електрон, например под действието на космическа радиация, тогава, движейки се в силно електрическо поле, докато се сблъска с атом, той може да получи достатъчно енергия, за да го йонизира с образуването на друг електрон.
Това е електрическото поле, което действа върху електроните, така че основният фактор, определящ развитието на разряда в междината, е силата на електрическото поле, а не напрежението в междината. Средната напрегнатост на електрическото поле в междината е частното от разделянето на напрежението в междината на разстоянието между електродите. В реални високоволтови структури разпределението на електрическото поле по пролуката е значително неравномерно. Максималната напрегнатост на електрическото поле (близо до повърхността на електрода с най-малък радиус на кривина) може значително да надвиши средната напрегнатост.
Именно в областта на максималната напрегнатост на полето се образува лавина от електрони. Когато е изпълнено условието за прехода му към разряд с висока електрическа проводимост на канала, настъпва пълно разпадане на празнината.
Всъщност изучаването на механизми и разработването на методи, които възпрепятстват образуването на лавина от електрони и нейния преход към пълно разпадане на празнината, е предмет на технологията за високо напрежение по отношение наосигуряване на електрическата якост на изолацията на оборудването и електропроводите. Тези проучвания доведоха до появата на всички видове изолации, използвани днес.
От всички видове диелектрици атмосферният въздух е най-достъпен и най-евтин. Но има и най-ниската електрическа якост.
Радикалният начин да се възпрепятства развитието на лавина е да се увеличи налягането на газа и пропорционално да се намали средният свободен път на електрона. Напрежението между електродите (съответно напрегнатостта на електрическото поле в междината) също ще се увеличи пропорционално, което е необходимо, за да може електронът да получи достатъчно енергия за йонизация. Следователно в съвременните въздушни прекъсвачи за високо напрежение налягането на въздуха достига 4,0 и повече от 6,0 MPa.
Напротив, отстраняването на газ от електрически апарат (вакуумизация) води до факта, че дори първоначалният електрон, който се е появил на неговия
пътят от електрод до електрод не среща газови молекули, които би могъл да йонизира и да започне да образува лавина от електрони. Оттук идва идеята за вакуумна изолация - основата на съвременните вакуумни ключове, искрови междини и ускорители на елементарни частици.
Фундаментално различен начин за предотвратяване на развитието на лавина от електрони е "свързването" на първоначалния електрон, който вече е възникнал, т.е. улови го с молекула при първия сблъсък с него. Този начин се осъществява с помощта на така наречените електроотрицателни (улавящи отрицателно заредени електрони) газове като газова изолация. Най-широко използваният за тази цел серен хексафлуорид (SF6). Неговите електроотрицателни свойства са толкова високи, че когато, за да се осигури необходимата електрическа якост, налягането на въздуха трябва да бъде 4,0MGTa, налягането на SF6 от 0,5-0,6 MPa е достатъчно, което значително опростява дизайна на апарата. SF6 има и редица други предимства - химическа инертност, устойчивост на електрически разряди, блестящи дъгогасителни и добри топлоотвеждащи свойства, ниска температура на втечняване спрямо други, още по-електроотрицателни газове. Това дава възможност за замяна на отворени разпределителни уреди (OSG) с разпределителни уреди с газова изолация (GIS) или замяна на въздушни електропроводи с високоволтови кабели с газова изолация. В същото време техните размери се намаляват с порядъци.
За съжаление техническите и икономическите характеристики на разпределителните уредби и захранващите кабели, главно разходите, все още са в повечето случаи (с изключение на използването им в големите градове и в някои специални ситуации) неконкурентоспособни в сравнение с разпределителните уредби на открито.
Граничният случай на намаляване на свободния път на електрона е преходът към течни и твърди диелектрици. Идеална - "вътрешна" - диелектричната якост на тези диелектрици е много висока - десетки милиони волта на 1 см. Затова вътрешната изолация на силови трансформатори, кабели, измервателни токови и напреженови трансформатори днес се основава на течни или твърди диелектрици или тяхната комбинация.
За съжаление, "вътрешната" електрическа якост на чистите течни и твърди диелектрици е недостижима в реални условия поради наличието на микродефекти в обема на диелектриците и на повърхността на електрода - газови и проводими микровключвания, влага и грапавост на повърхността на електрода. Това води до началото на развитието на електронни лавини при напрегнатост на електрическото поле 100-500 kV/cm.
Разграждането на течна и твърда изолация на тънки слоеве намалява размерадефекти и вероятността от тяхното съвпадение. Следователно истинската изолация е направена от тънки слоеве хартия или филми от синтетични материали, импрегнирани с трансформаторно или кондензаторно масло, синтетични течности, газ SF6 под високо налягане.
Ориз. 15.1. Зависимост на времето на повреда t pr. 15.2 Зависимост на времето на повреда t pr
от приложеното напрежение U prfor от приложеното напрежение U prdlya
проби (d= 3 mm) с хомогенни(a)и множество проби от полиетилен във въздух (c) и
двуслойна(b)филмова изолация, импрегнирана с минерално масло(b)
Най-често използванатахартиено-маслена изолация,като най-евтина. Синтетичните течности или SF6 се използват главно, когато е необходимо да се осигури незапалимост на изолацията. Ефективността на разделянето на изолацията на тънки слоеве и импрегнирането й е илюстрирана на фиг. 15.1 и 15.2. Ако според условията на отвеждане на топлината от тоководещите части на оборудването се изисква наличието на големи (до няколко сантиметра) канали за циркулация на охлаждащата течност, в които може да се развие лавина и дори да пресече изпускателния канал, тогава на пътя на развитието на канала се поставя бариера от диелектрик с висока якост. Такава изолация се нарича маслена бариера.