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, duŜe 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, duŜa
przenikalność elektryczna i odporność na starzenie.
Osobną grupę stanowią ciecze silikonowe, które charakteryzują się duŜą 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 moŜe być róŜne i mechanizm jej
przebicia moŜe wynikać z róŜnych przyczyn. W celu rozgraniczenia własności dowolnej
cieczy mówić naleŜy 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 moŜe być duŜa, lecz moŜe jeszcze nie zagraŜać
prawidłowej pracy urządzeń
PoniewaŜ 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
JeŜeli okresowo badany olej nie ma zadowalających parametrów naleŜy doprowadzić
go stanu zdatnego do dalszej eksploatacji bądź wymienić go na nowy. Doprowadzenie do
zadawalającego stanu moŜe być osiągnięte przez filtrowanie w celu usunięcia zanieczyszczeń
stałych i wody, gotowanie lub odwirowanie w celem dalszego osuszenia. Regeneracja - polega
takŜe na chemicznej rafinacji i oddzieleniu składników szkodliwych, produktów utlenienia
itp., które mogą pogarszać własności izolacyjne i zwiększać stratność dielektryczną oleju.
MoŜna szacować, Ŝe 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 moŜe mieć w tych samych
warunkach tg δ rzędu 10-2...10-1, a nawet i więcej. Pomiar współczynnika strat
dielektrycznych jest dlatego jeszcze jednym, waŜnym wskaźnikiem jakości oleju.
ZaleŜ ność tg δ oleju transformatorowego od zawartoś ci wilgoci w.
NatęŜ enie E = 5 kV/cm, temperatura 40 oC.
Mechanizm przebicia oleju jest złoŜony i zaleŜny od jakości i własności badanego
oleju.
Na mechanizm ten składać się moŜe szereg zjawisk, rozpatrywanych często niezaleŜnie 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 duŜych natęŜeń 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 niŜ w gazie i odbywa się z prędkością rzędu 3⋅105 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, Ŝe olej, w którym powstają wyładowania, traci własności izolacyjne, wskutek
czego waŜne jest niedopuszczanie do wyładowań.
Mechanizm gazowy przebicia oleju
Mechanizm ten zachodzi w oleju czystym lecz nieodgazowanym, w którym znajdujący
się w postaci pęcherzyków gaz moŜe być wynikiem parowania składników lotnych, np. przy
podgrzaniu, lub wynikiem zawartości powietrza. Mechanizm ten nazywany jest często
jonizacyjnym. Pęcherzyki gazowe stają się zaląŜkami jonizacji lawinowej i silnie zjonizowany
pęcherzyk staje się elementem kanału plazmowego. Pęcherzyk gazowy powiększa się i
wydłuŜa w kierunku pola.
Mechanizm gazowy tłumaczy obserwowaną często zaleŜność wytrzymałości
dielektrycznej oleju od ciśnienia, które wpływa na wartość napręŜenia 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
najwaŜniejszą rolę odgrywa wilgoć.
Włókna zanieczyszczeń ulegają przemieszczaniu w polu elektrycznym i zajmują
ukierunkowane siłami pola. Przy duŜej gęstości zanieczyszczeń i przy jednoczesnym ich
zawilgoceniu mają one tendencję do ustawiania się wzdłuŜ linii natęŜeń pola tj. na drodze, na
której formuje się kanał wyładowania. Włókna łącząc się w tzw. mostki, wytwarzają
pomiędzy elektrodami drogę o obniŜonej wytrzymałości. PoniewaŜ 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 moŜna skutecznie przeciwdziałać stawiając pomiędzy
elektrody układu izolacyjnego w przestrzeniach wypełnionych olejem przegrody izolacyjne z
materiału stałego o niewielkiej grubości.
ZaleŜ ność natęŜ enia przebicia oleju transformatorowego Ed w funkcji wilgotnoś ci wzglę dnej
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 moŜe być skutkiem
zarówno osiągnięcia określonej wartości napięcia, jak i zmiany właściwości dielektryka przy
danym napięciu. W kaŜdym przypadku mechanizm przebicia moŜe być złoŜony i wywołany
pojedynczo lub wspólnie przez róŜne zjawiska fizyczne o niezaleŜnych przyczynach.
Dielektryk stały najczęściej współpracuje równolegle z innym dielektrykiem ciekłym
lub gazowym, którym jest zazwyczaj powietrze. Przy jednoczesnym napręŜeniu 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 niemoŜliwe 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 równieŜ 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 natęŜenia 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 moŜe być obserwowany
wówczas, gdy czas przyłoŜenia napięcia jest krótki. Zachodzi on w praktyce przy napięciach
udarowych.
W polach niejednorodnych przy jednokrotnym działaniu impulsu napięcia, mechanizm
elektryczny prowadzić moŜe do wytworzenia kanału wyładowania jedynie na pewnej drodze
uszkadzając trwale część dielektryka w przestrzeni międzyelektrodowej. Ponowne przyłoŜenie
napięcia spowodować moŜe wydłuŜenie 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 dłuŜszy 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, gdyŜ do strat przewodnictwa
dochodzą straty na polaryzację dielektryka proporcjonalne do jego przenikalności
dielektrycznej i częstotliwości napięcia. Dielektryk po przyłoŜeniu napięcia nagrzewa się i
wzrost lub ustalenie jego temperatury uzaleŜnione są od warunków chłodzenia, od
przewodności cieplnej dielektryka oraz od wysokości i zmian napięcia. Przy nadmiernym
wzroście temperatury moŜliwe 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 natęŜenia pola
przegrzanie dielektryka ułatwia lub staje się bezpośrednią przyczyną powstania elektrycznego
mechanizmu przebicia, lecz przy napięciu przebicia znacznie niŜszym, niŜ 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, Ŝe przebicie zachodzi
po długim czasie przyłoŜenia napięcia. Temu procesowi przebicia towarzyszą wyładowania
niezupełne ( w skrócièwnz` ), powstające wewnątrz izolacji w szczelinach między
warstwami, pęknięciach, pustych miejscach lub przy zanieczyszczeniach. W tych miejscach
wad technologicznych (defektach) występuje zwiększone natęŜenie pola powyŜej
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 niskociś nieniowym
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.
ZaleŜ ność tg δ izolacji stałej z wtrą cinami gazowymi od napię cia 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 równieŜ jest wynikiem zmian chemicznych bądź fizycznych
zachodzących np. skutkiem utleniania, depolimeryzacji, działania ciepła, promieniowania itp.
Na procesy te są częściej naraŜone materiały pochodzenia organicznego, przy czym starzenie
występuje głównie wskutek działania cieplnego i wyładowań niezupełnych.
Dlatego przy doborze wymiarów izolacyjnych konstrukcji z izolacją stałą naleŜy
uwzględniać nie tylko wytrzymałość krótkotrwałą, ale takŜe i długotrwałą określoną stratami
dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natęŜenie winno być wybrane duŜo
mniejsze, niŜ natęŜenie przy którym występują wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas
Ŝycia izolacji przyjmuje się obecnie na nie mniejszy niŜ 20 lat.