Одним из основных показателей, характеризующих изоляционные свойства трансформаторных масел в практике их применения, является их электрическая прочность:
Е = Uпр / H
где Uпр — пробивное напряжение; h — расстояние между электродами.
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.
Чистое трансформаторное масло, свободное от воды и других примесей, независимо от его химического состава обладает высоким, достаточным для практики пробивным напряжением (более 60 кВ), определяемым в плоских медных электродах с закругленными краями и расстоянием между ними 2,5 мм. Электрическая прочность не является константой материала.
При ударных напряжениях присутствие примесей почти совсем не сказывается на электрической прочности. Принято думать, что механизм пробоя при ударных (импульсных) напряжениях и длительной экспозиции различен. При импульсном напряжении электрическая прочность значительно выше, чем при относительно длительной экспозиции напряжения частотой 50 Гц. В результате этого опасность от коммутационных перенапряжений и грозовых разрядов относительно невелика.
Повышение прочности с повышением температуры от 0 до 70 °С связывают с удалением из трансформаторного 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 трансформаторного 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)].
Пробивное напряжение трансформаторного масла определяется не общим содержанием воды, а концентрацией ее в эмульсионном состоянии.
Образование эмульсионной воды и снижение электрической прочности имеют место в трансформаторном 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. Трансформаторное масло, осторожно слитое из стеклянного сосуда (без перемешивания), обладает высокой электрической прочностью.
Полярные вещества низко и высококипящие, образуя в трансформаторном масле истинные растворы, практически не оказывают влияния на удельную проводимость и электрическую прочность. Вещества, образующие в трансформаторном 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.
Имеются три группы теорий:
1) тепловые, объясняющие образование газового канала как результат кипения самого диэлектрика в местах локальной повышенной неоднородности поля (пузырьки воздуха и пр.)
2) газовые, по которым источником пробоя являются пузыри газа, адсорбированные на электродах или растворенные в масле;
3) химические, объясняющие пробой как результат химических реакций, протекающих в диэлектрике под действием электрического разряда в пузыре газа. Общим в этих теориях является то, что пробой масла происходит в паровом канале, образованном за счет испарения самого жидкого диэлектрика.
Существует гипотеза, согласно которой паровой канал образуют низкокипящие примеси, в случае если они вызывают повышенную проводимость.
Под воздействием электрического поля примеси, содержащиеся в масле и образующие в нем коллоидный раствор или микроэмульсию, втягиваются в зону между электродами и дрейфуют в направлении поля. Значительное количество теплоты, выделяющейся при этом вследствие низкой теплопроводности диэлектрика, расходуется на нагрев самих частиц примеси. Если эти примеси являются причиной высокой удельной проводимости масла, то при низкой температуре кипения примесей они испаряются, образуя при достаточном содержании их «газовый канал», в котором и происходит пробой.
Центрами парообразования могут служить пузыри газа или пара, образующиеся под воздействием поля (в результате явления электрострикции) за счет растворенных в масле примесей (воздух и другие газы, а также возможно, низкокипящие продукты окисления жидкого диэлектрика).
Пробивное напряжение масел зависит от наличия в них связанной воды. В процессе вакуумной сушки масла и наблюдаются три этапа: I — резкого повышения пробивного напряжения, соответствующий удалению эмульсионной воды, II — в котором мало изменяется пробивное напряжение и остается на уровне около 60 кВ в стандартном пробойнике, в это время удаляется растворенная и слабо связанная вода, и III — медленного повышения пробивного напряжения масла за счет удаления связанной воды.