На этой странице выложены документы по трансформаторному маслу.

Электропроводность жидких диэлектриков.

Свободными заряженными частицами, движение которых в электрическом поле обуславливает ток проводимости, в жидких диэлектриках могут быть ионы и коллоидные частицы. В первом случае проводимость называют ионной, во втором – молионной или катафоретической. Кроме того, в сильных предпробивных электрических полях в создании токов проводимости могут участвовать и электроны. Ионная и катафоретическая проводимость имеют место как в слабых, так и в сильных электрических полях.

Ионы обоих знаков образуются в жидких диэлектриках в результате диссоциации нейтральных молекул. В некоторых случаях это могут быть молекулы самой диэлектрической жидкости, однако в значительно большей степени диссоциируют молекулы различного рода примесей. Последние в технически чистых жидких диэлектриках неизбежно присутствуют из-за несовершенства процессов их производства и очистки. Примеси могут также образовываться в самих жидких диэлектриках во время эксплуатации оборудования высокого напряжения вследствие процессов теплового старения или проникать в жидкий диэлектрик из окружающей среды. Во всех случаях при диссоциации нейтральной молекулы образуются два иона противоположных знаков; заряд каждого иона обычно по абсолютной величине равен заряду электрона.

Коллоидные частицы – это всегда примеси. Они имеют размеры от 10^-9 до 10^-7

^{м и постоянно находятся во взвешенном состоянии. Коллоидные частицы по ряду причин обязательно заряжены. По отношению к жидкости они имеют некоторый потенциал ζ, называемый электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом. Значение дзета-потенциала зависит от физико-химических свойств жидкого диэлектрика и частицы, обычно оно лежит в пределах от 0,03 до 0,07 В. При этом заряд коллоидной частицы равен:}

q_к =  4πε₀ε_rжRζ,

где         ε_rж – относительная диэлектрическая проницаемость жидкого диэлектрика;

              R – радиус сферической коллоидной частицы.

Знак заряда q_к зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей ε_rк коллоидной частицы и ε_rж жидкости. При ε_rк > ε_rж  коллоидная частица имеет положительный заряд, при ε_rк < ε_rж  - отрицательный.

Плотность тока проводимости в жидком диэлектрике в общем случае определяется выражением:

j = n₊q₊u₊ + n_q_u_ + n_kq_ku_k,

где         n₊, n_, n_k – количество соответственно положительных и отрицательных ионов и коллоидных частиц в единице объёма;

  q₊,  q_ - заряды ионов;

               u₊,  u_, u_k – средние скорости движения соответствующих заряженных частиц вдоль силовых линий поля;

Скорость движения заряженной частицы u зависит от напряжённости Е электрического поля:

u = КЕ,

где         К – подвижность частицы;

в слабых электрических полях (Е < 10⁶ В/м) подвижность ионов К₊ и К_, а также подвижность коллоидных частиц К_к не зависят от напряжённости поля и являются величинами постоянными [подвижности ионов имеют значение порядка 10^-8 м²/(сВ), коллоидных частиц – 10^-11 м²/(сВ)]. поэтому выражение для определения плотности тока (см. выше) может быть записано в следующем виде:

j = (n₊q_k K₊ + n_q_K_ + n_kq_kK_k)Е = γЕ,

где         γ – удельная проводимость жидкого диэлектрика.

Таким образом, в слабых электрических полях плотность тока проводимости прямо пропорциональна напряжённости поля, т.е. соблюдается закон Ома.

Удельная проводимость жидких диэлектриков зависит от температуры Т. С её ростом γ возрастает вследствие увеличения степени диссоциации молекул и роста концетрации ионов, а также из-за повышения подвижности заряженных частиц. Рост удельной проводимости γ при повышении температуры Т соответствует выражению:

γ = γ₀exp[a(T – T₀)],

где         γ₀ – удельная проводимость при Т=Т₀,

               а – температурный коэффициент, значение которого зависит от свойств жидкого диэлектрика (для трансформаторного масла а=0,02)

Как уже отмечалось выше, свободные заряженные частицы присутствуют в жидких диэлектриках обычно как примеси. Поэтому удельная проводимость γ жидких диэлектриков сильно зависит от степени их очистки. Для технически чистых неполярных жидкостей значение γ обычно лежит в пределах от 10^-11 до 10^-14 Ом^-1м^-1, а для полярных – от 10^-8 до 10^-12 Ом^-1м^-1. У полярных жидкостей удельная проводимость значительно больше, так как  степень диссоциации молекул примесей в таких жидкостях выше.

При длительном приложении напряжения к промежутку, заполненному жидким диэлектриком, значительная часть ионов и коллоидных частиц скапливается у электродов и перестаёт участвовать в образовании токов проводимости. В результате проводимость может существенно снизится. Это обстоятельство может быть использовано для электроочистки жидких диэлектриков.

Пробивное напряжение прямо не связано с удельной проводимостью, но, так же как и она, весьма чувствительно к присутствию примесей. При малейшем изменении влажности жидкого диэлектрика и наличии в нем примесей (так же как и для проводимости) резко уменьшается электрическая прочность. Изменения давления, формы и материала электродов и расстояния между ними влияют  на электрическую прочность. В то же время эти факторы на электропроводность жидкости не оказывают влияния

Если приложенное к диэлектрику напряжение постепенно повышать, то при достижении определённой величины сопротивление диэлектрика сразу упадёт до нуля. Это критическое напряжение, при котором диэлектрик становится проводником, определяет электрическую прочность масла (кВ/см). Напряжение, при котором происходит пробой масла в стандартном разряднике, называется пробивным напряжением (кВ). Чистое сухое трансформаторное масло независимо от его химического состава имеет достаточно высокое пробивное напряжение (более 60кВ).

Повышение прочности с повышением температуры от 0 до 70 °С связывают с удалением из масла влаги, перехо­дом ее из эмульсионного состояния в растворенное и уменьшением вязкости масла.

Растворенные газы играют большую роль в процессе пробоя. Еще при напряженности электрического поля, бо­лее низкой, чем пробивная, отмечается образование на электродах пузырьков. С понижением давления для неде­газированного масла прочность его падает. Пробивное на­пряжение не зависит от давления  в случаях:

а) тщательно дегазированных жидкостей;

б) ударных напряжений (каковы бы ни были загрязнение и газосодержание жидкости);

в) больших давлений [около 10 МПа (80—100 ат)].

Об изучении зависимости пробивного напряжения масла от содержания в нем воды описано во многих работах. Эта зависимость количественно существенно различается у разных авторов. Было показано, что пробивное напряжение масла определяется не общим содержанием воды, а концентрацией ее в эмульсионном состоянии.

Влага может находится в масле в трёх состояниях: с растворённом виде, в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны шарики диаметром 2-10 мкм) и в виде отстоя на дне резервуара.

Молекулярно растворённая вода мало влияет на электрическую прочность трансформаторного масла. Вместе с тем даже малые доли процента эмульсионной воды значительно снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что под действием электрического поля шарики эмульсионной воды поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий, образуя проводящий мостик, по которому и происходит разряд при значительно более низких напряжениях.

Образование эмульсионной воды и снижение электрической прочности имеют место в масле, содержащем растворенную воду, при резком снижении температуры или относительной влажности воздуха, а так­же при перемешивании масла за счет десорбции воды, адсорбированной на поверхности сосуда.

При замене стекла в сосуде полиэтиленом снижается количество эмульсионной воды, десорбированной при пе­ремешивании масла с поверхности, и соответственно повы­шается прочность его. Масло, осторожно слитое из стек­лянного сосуда (без перемешивания), обладает высокой электрической прочностью. В этой же работе описано влияние на прочность масла концентрации и состояния я нем кислот, спиртов, мыл и других продуктов его ста­рения.

Качественная оценка полученных данных представлена в табл. 1.

Из этих данных следует, что полярные вещества низко- и высококипящие, образуя в масле истинные растворы, практически не оказывают влияния на удельную проводи­мость и электрическую прочность; вещества, образующие в масле коллоидные растворы или эмульсии с очень ма­лым размером капель (являющиеся причиной электрофоретической электропроводности), если они имеют низкую температуру кипения, снижают, а в случае если их температура кипения высока, практически не влияют на проч­ность.

Несмотря на огромный экспериментальный материал, следует констатировать, что до сих пор нет единой обще­признанной теории пробоя жидких диэлектриков примени­тельно даже к условиям длительной экспозиции напряжения.

Пробой в жидких диэлектриках, загрязненных примеся­ми при длительной экспозиции напряжения, представляет собой по существу завуалированный газовый пробой.