CC BY
18
И 3 В Е'С Т И Я
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 184
1970
К ОЦЕНКЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОБИВНЫХ НАПРЯЖЕНИИ НЕКОТОРЫХ ДИЭЛЕКТРЙКОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
I }
В. В. КРИВКО, Ю. И. ЛЕХТ
(Представлена научным семинаром НИИ высоких напряжений)
•
В настоящее время в различные технологические процессы успешно внедряется высоковольтная импульсная техника. Необходимость создания малогабаритных, надежных высоковольтных установок и устройств побуждает вести исследования и ¡разработку изоляции с высокими электрическими характеристиками. Наибольшее распространение получает комбинированная изоляция с использованием трансформаторного масла и твердых диэлектриков.
В связи с возможным достаточно широким диапазоном рабочих температур специальных высоковольтных установок изучение температурных характеристик электрического пробоя отдельных компонентов сложной изоляции представляет определенный интерес.
Известно, что с изменением температуры изменяются плотность и вязкость жидкости, состояние влаги, условия эмиссии из катода и т. д. Все это в большей или меньшей степени в различных условиях оказывает влияние на пробивные напряжения жидких диэлектриков. Зависимость, как правило, имеет максимум. Полагают [1, 2], что при достаточно длительном воздействии напряжения для жидкостей технической очистки возможен тепловой пробой. При этом ¡возникновение пробоя связывается с процессом вскипания жидкостей.
В экспериментальных исследованиях по пробою различных жидкостей на импульсах длительностью 1 мксек и более [1—6] установлено некоторое уменьшение пробивных напряжений с ростом температуры. Причем снижение напряжения происходит по той же кривой, что и снижение ее плотности.
Изучению влияния температуры на импульсное пробивное напряжение твердых диэлектриков также посвящен целый ряд работ [7—12]. Однако измерения напряжений проводились в области положительных температур на импульсах длительностью более 1 мксек и в основном для кристаллических диэлектриков. Данные имеют противоречивый характер. В отдельных работах [8—12] наблюдались температурные максимумы прочности.
В настоящей статье приведены результаты экспериментальных измерений импульсных пробивных напряжений политетрафторэтилена, трансформаторного масла и воды, которая на импульсах с крутым фронтом обладает прочностью несколько десятков кв/см. Рабочий'интервал температур для политетрафторэтилена и трансформаторного масла составил —40ч- + 100°С. Пробивные напряжения для воды и трансформа-132
/
торного масла в интервале температур от +15 до 100°С измерялись при различной крутизне фронта импульса положительной полярности (от 10 до 1250 кв/мксек).
Методика эксперимента
Температурные зависимости трансформаторного масла, воды технической очистки и политетрафторэтилена исследовались в термокамере типа МПС-500 с интервалом рабочих температур от —70 до +100°С .и специально смонтированным высоковольтным вводом на импульсное напряжение 300 кв. Температура в камере измерялась электрическим и ртутным термометрами с точностью до ГС. Пробивные характеристики снимались на электродах «стержень — плоскость». На молибденовый стержневой электрод диаметром 3 мм с углом конуса при вершине 30° подавались одиночные импульсы положительной полярности. Латунная плоскость диаметром 90 мм заземлялась. Расстояние между электродами 2 мм. Электродное устройство помещалось в фарфоровый сосуд диаметром 120 мм.
Источником однократных высоковольтных импульсов служил многоступенчатый генератор .импульсных напряжений с максимальной амплитудой 400 кв и емкостью в разряде 12000 пкф. Величина пробивного напряжения регистрировалась с помощью осциллографа ОК-19, включенного через активный делитель сопротивлением 8200 ом. Прочность трансформаторного масла в стандартном маслопробойнике составляла 35 кв. Удельное сопротивление воды было равно 1,5*10 ~ъом*см.
Образцы политетрафторэтилена прямоугольной формы размерами 30X30X5 мк нарезались на фрезерном станке из листов оДной партии поступления. Для устранения краевого эффекта в образцах высверливалась коническая лунка с углом 30°. Толщина образцов контролировалась прибором ИЗВ-1 с точностью до 0,01 мм. Для исключения перекрытия образцов по поверхйости при выбранных линейных размерах образцы помещались в трансформаторное масло.
Партия образцов политетрафторэтилена, а также жидкие диэлектрики перед пробоем при заданной температуре выдерживались в термокамере не менее 30 мин.
Пробой жидкостей и образцов политетрафторэтилена проводился на фронте однократного импульса. Каждая точка полученных характеристик построена на основе обработки 20 и более осциллограмм пробоя.
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис.1 приведены зависимости пробивных напряжений трансформаторного масла (кривая 3), воды (кривая 2) и политетрафторэтилена (кривая 1). Импульсы положительной полярности, крутизна фронта 250 кв/мксек. Толщина в месте пробоя 2 мм. {
В интервале температур от +20 до +90°С пробивное напряжение политетрафторэтилена для данных условий опыта оставалось неизменным в связи с достаточно высокой термостойкостью материала (максимальная рабочая температура более 200°С). С уменьшением температуры от +20 до—10°С пробивное напряжение политетрафторэтилена снижается на 10—15%, а затем по мере дальнейшего уменьшения температуры возрастает и при температуре—40°С становится таким же, как и при нормальной температуре. Можно полагать, что некоторое снижение пробивного напряжения связано с наличием внутренних механических напряжений. Если при пониженных температурах политетрафторэтилен выдерживать более длительное время, внутренние напряжения, связан-
ные с изменением соотношения между кристаллической и аморфной фазами, снимаются и не оказывают влияния на механическую, а также и электрическую прочность материала. Так, при выдержке времени образцов при температуре — 20°С, равной 3 час (вместо 30 мин.) величина пробивного напряжения составила 77 /се, т. е. оказалась равной напряжению при температуре +20°С.
• V
100
80
60
Рис. 1. Температурные зависимости импульсных пробивных напряжений политетрафторэтилена (кривая 1), воды технической очистки (кривая'2) и трансформаторного масла (кривая 3). Крутизна фронта импульса 250 кв/мксек
В исследованном интервале температур пробивные напряжения трансформаторного масла и воды практически остаются неизменными и превышают пробивное напряжение политетрафторэтилена. Последнее
220 160 /40
юо 60
Рис. 2. Зависимости импульсных пробивных напряжений трансформаторного масла (кривые 1, 2, 3) и воды техническом очистки (кривые 4 ,5, 6) от крутизны фронта импульса при различных температурах. 1 и 4 — 1 = 15ЭС, 2 и 5 — { = 60°С, 3 и 6 — I - 98°С
указывает на возможность использования воды технической очистки при импульсах с крутым фронтом (250 кв/мксек и более) в качестве изоляционной среды. Плотность воды с ростом температуры от 15 до 98°С 134
уменьшается от 0,01 до 0,002 [13]. Такое незначительное изменение плотности вряд ли окажет существенное влияние на время разряда и соответственно на величину разрядного напряжения [1].
На р,ис. 2 представлены значения пробивных напряжений трансформаторного масла (кривые 1, 2, 3) и воды (кривые 4, 5, 6) на импульсах положительной полярности с различной крутизной фронта. Расстояние между электродами в месте пробоя 10 мм. Рабочие температуры +15: +60 и +98°С.
Из рис. 2 следует, что с ростом крутизны импульса пробивные напряжения при всех исследованных температурах возрастают. Это вполне согласуется с известными ранее данными [1, 3] и объясняется явлением запаздывания разряда.
Некоторое снижение пробивных напряжений (15—20%) воды и трансформаторного масла при повышенных температурах (98 и 100°С) на импульсах крутизной менее 100 кв/мксек, вероятно, связано с тем, что при больших временах воздействия напряжения разряд может развиваться по газовым пузырькам. На крутых импульсах газовые пузырьки, как и другие включения в жидкости, влияния на порбивное напряжение не оказывают.
Выводы
1. На импульсах с крутизной фронта 250 кв/мксек и более вода технической очистки может ^использоваться в качестве изолирующей жидкости.
2. В интервале температур от —40 до +90°С (для воды от +15°С) пробивные напряжения трансформаторного масла, воды и политетрафторэтилена практически остаются неизменными. Это указывает на возможность надежной работы в исследованном интервале температур высоковольтных устройств с использованием воды и трансформаторного масла.
ЛИТЕРАТУРА
»
1. Г. И. Сканави. Физика диэлектриков (область сильных полей), ГИФИЛ, Í958.
2. Der ante R. W. J. Appl. Phys. 10, 514, 1959.
3. А. Ф. Вальтер. Физика диэлектриков, ГТТИ, 1932.
4. Edwards. W D. Canadian. J. Phys. 29, 310, 1951.
5. CroweR. W., Bragg J. K. and Sharbaugh A. H. J. Appl Phys. 25, 3, 342, 1954.
6. Goodwin P. W. and Mackfadyen K- A. Prac. Phys. Soc. Sondon, В 66, 85, 815, 1953.
7. А. А. Воробьев, И. А. Приходько. Труды СФИТИ, 4, 31, 1938.
8. Calderwood J. H., Cooper R. Proc. Phys. Soc. B66, 74, 1953.
9-. Keller К. Physica .17, 511, 1951.
10. А. Ф. Вальтер и Л. Д. Инге. ЖЭТФ 10, 1034, 1940.
11. Verme г J. Physica 20, 313, 1954.
12. Hippel A. J. Appl. Phys. 8, 815, 1937.
13. Д. Кей и T. Л э б и. Справочник физика-экспериментатора, ИИЛ, 1949.
