Частичный разряд

В электротехнике ) . частичный разряд ( ЧР ) — это локализованный пробой диэлектрика (ДБ) (который не полностью перекрывает пространство между двумя проводниками) небольшой части твердой или жидкой системы электроизоляции (ЭИ) под высоким напряжением (ВН ) стресс. В то время как коронный разряд (CD) обычно проявляется в виде относительно устойчивого свечения или кистевого разряда (BD) в воздухе, частичные разряды внутри системы твердой изоляции не видны.

ЧР может возникать в газообразной, жидкой или твердой изолирующей среде. Он часто начинается в газовых пустотах, таких как пустоты в твердой эпоксидной изоляции или пузырьки в трансформаторном масле. Длительный частичный разряд может разрушить твердую изоляцию и в конечном итоге привести к ее выходу из строя.

Разгрузочный механизм

Частичный разряд обычно начинается в пустотах, трещинах или включениях в твердом диэлектрике , на границах раздела проводник -диэлектрик в твердых или жидких диэлектриках или в пузырьках внутри жидких диэлектриков . Поскольку частичные разряды ограничены только частью изоляции, разряды лишь частично перекрывают расстояние между электродами . ЧР также может возникать на границе между различными изоляционными материалами.

Частичные разряды внутри изоляционного материала обычно возникают в заполненных газом пустотах внутри диэлектрика. Поскольку диэлектрическая проницаемость пустоты значительно меньше, чем у окружающего диэлектрика, электрическое поле в пустоте значительно выше, чем на эквивалентном расстоянии от диэлектрика. Если напряжение напряжения в пустоте превышает напряжение возникновения короны (CIV) для газа внутри пустоты, активность частичного разряда начнется внутри пустоты.

Частичный разряд также может возникать вдоль поверхности твердых изоляционных материалов, если поверхностное тангенциальное электрическое поле достаточно велико, чтобы вызвать пробой вдоль поверхности изолятора. Это явление обычно проявляется на изоляторах воздушных линий, особенно на загрязненных изоляторах в дни повышенной влажности. Воздушные линии используют воздух в качестве изоляционной среды.

Эквивалентная схема PD

Эквивалентную схему диэлектрика, содержащего полость, можно смоделировать как емкостный делитель напряжения, подключенный параллельно с другим конденсатором . Верхний конденсатор делителя представляет собой параллельную комбинацию емкостей, включенных последовательно с пустотой, а нижний конденсатор представляет собой емкость пустоты. Параллельный конденсатор представляет собой оставшуюся неиспользованную емкость образца.

Частичные токи разряда

Всякий раз, когда инициируется частичный разряд, возникают высокочастотные импульсы переходного тока, которые сохраняются в течение от наносекунд до микросекунд, затем исчезают и снова появляются, когда синусоида напряжения проходит через ноль . Частичный разряд возникает вблизи пикового напряжения, как положительного, так и отрицательного. Импульсы частичного разряда легко измерить с помощью метода высокочастотного преобразователя тока (HFCT). Датчик тока закрепляется вокруг заземления корпуса тестируемого компонента. Тяжесть частичного разряда измеряется путем измерения интервала между концом пакета и началом следующего пакета. По мере усугубления пробоя изоляции интервал взрыва будет сокращаться из-за того, что пробой происходит при более низких напряжениях. Этот пакетный интервал будет продолжать сокращаться до тех пор, пока не будет достигнута критическая точка в 2 миллисекунды. В этой точке в 2 мс разряд очень близок к пересечению нуля и произойдет сбой при полном разряде и серьезном отказе. Необходимо использовать метод HFCT из-за небольшой величины и короткой продолжительности этих событий ЧР. Метод HFCT выполняется, пока тестируемый компонент остается под напряжением и нагружен. Это совершенно ненавязчиво. Другой метод измерения этих токов состоит в том, чтобы поставить небольшой токоизмерительный прибор. резистор последовательно с образцом, а затем просмотрите генерируемое напряжение на осциллографе через согласованный коаксиальный кабель.

При возникновении ЧР, искрения или искрообразования электромагнитные волны распространяются от места повреждения во всех направлениях, которые контактируют с баком трансформатора, и достигают земли (кабеля заземления), где расположен HFCT, для улавливания любых электромагнитных помех или ЭМИ внутри трансформатора, выключателя, трансформатора тока. , CT, кабель высокого напряжения, MCSG, LTC, LA, генератор, большие двигатели высокого напряжения и т. д. Обнаружение высокочастотных импульсов позволит выявить наличие частичного разряда, искрения или искрообразования. После обнаружения частичного разряда или искрения следующим шагом является определение места повреждения. Используя метод акустической эмиссии (АЭ), 4 или более датчиков АЭ размещаются на корпусе трансформатора, где одновременно собираются волновые данные АЭ и ВЧКТ. Полосовая фильтрация используется для устранения помех от системных шумов.

Деградация частичного разряда может быть вызвана различными факторами, в том числе неадекватным регулированием напряжения или наличием пустот или расслоений в изоляции грунтовой стены. Эти проблемы могут в конечном итоге привести к выходу машины из строя. ^{[ 1 ]}

Системы обнаружения и измерения выбросов

С помощью измерения частичных разрядов можно оценить диэлектрическое состояние высоковольтного оборудования, а также электрические деревья обнаружить и локализовать в изоляции. Измерение частичных разрядов может локализовать поврежденную часть изолированной системы.

Данные, собранные во время испытаний на частичный разряд, сравниваются со значениями измерений того же кабеля, собранными во время приемочных испытаний, или с заводскими стандартами контроля качества. Это позволяет просто и быстро классифицировать диэлектрическое состояние (новое, сильно старое, неисправное) испытуемого устройства, а также заранее спланировать и организовать соответствующие мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту.

Измерение частичных разрядов применимо к кабелям и аксессуарам с различными изоляционными материалами, такими как кабели с полиэтиленовой или бумажной изоляцией и свинцовым покрытием (PILC). Измерение частичных разрядов обычно проводится для оценки состояния системы изоляции вращающихся машин (двигателей и генераторов), трансформаторов и распределительных устройств с элегазовой изоляцией .

Система измерения частичных разрядов

Система измерения частичных разрядов в основном состоит из:

кабель или другой тестируемый объект
конденсатор связи малой индуктивности
источник высокого напряжения с низким фоновым шумом
высоковольтные соединения
фильтр высокого напряжения для снижения фонового шума от источника питания
детектор частичных разрядов
Программное обеспечение для ПК для анализа

Система обнаружения частичных разрядов для работающего электроэнергетического оборудования, находящегося под напряжением:

кабель, трансформатор или любое силовое оборудование среднего/высокого напряжения.
Полоса обнаружения сверхвысокочастотного датчика (УВЧ) 300 МГц–1,5 ГГц
Высокочастотный трансформатор тока (HFCT), полоса пропускания 500 кГц–50 МГц
Ультразвуковой микрофон с центральной частотой 40 кГц
Акустический контактный датчик с полосой обнаружения 20–300 кГц
Датчик TEV или конденсатор связи 3–100 МГц
Система анализа с фазовым разрешением для сравнения времени импульса с частотой переменного тока

Принцип измерения частичных разрядов

С тех пор, как в конце 20-го века осозналась важность частичного разряда, был изобретен ряд схем обнаружения разрядов и методов измерения частичных разрядов. Токи частичного разряда имеют тенденцию быть кратковременными и иметь время нарастания в наносекундной области. На осциллографе разряды выглядят как равномерно распределенные всплески, возникающие на пике синусоиды. Случайные события вызывают искрение или искрение. Обычный способ количественного определения величины частичных разрядов – пикокулоны . Интенсивность частичного разряда отображается в зависимости от времени.

Автоматический анализ рефлектограмм, собранных во время измерения частичных разрядов, с использованием метода, называемого рефлектометрией во временной области (TDR), позволяет определить местонахождение нарушений изоляции. Они отображаются в формате карт частичного разряда.

Фазовое изображение частичных разрядов дает дополнительную информацию, полезную для оценки тестируемого устройства.

Настройка калибровки

Фактическое изменение заряда, происходящее из-за ЧР, не поддается непосредственному измерению, поэтому кажущийся заряд вместо него используется . Кажущимся зарядом (q) события частичного разряда является заряд, который, если он введен между клеммами тестируемого устройства , изменит напряжение на клеммах на величину, эквивалентную событию частичного разряда. Это можно смоделировать уравнением:

q=C_{b}\Delta (V_{c})

Видимый заряд не равен фактической величине изменяющегося заряда на месте частичного разряда, но может быть непосредственно измерен и откалиброван. «Кажущийся заряд» обычно выражается в пикокулонах .

Это измеряется путем калибровки напряжения пиков по напряжениям, полученным от калибровочного устройства, разряженного в измерительный прибор. Калибровочный блок довольно прост в эксплуатации и состоит из генератора прямоугольных импульсов, включенного последовательно с конденсатором, подключенным к образцу. Обычно они срабатывают оптически, чтобы обеспечить возможность калибровки без входа в опасную зону высокого напряжения. Во время разрядного испытания калибраторы обычно отключаются.

Лабораторные методы

Широкополосные схемы обнаружения частичных разрядов
При широкополосном обнаружении импеданс обычно представляет собой низкодобротную параллельно -резонансную цепь RLC . Эта схема имеет тенденцию ослаблять возбуждающее напряжение (обычно между 50 и 60 Гц ) и усиливать напряжение, генерируемое в результате разрядов.
Настроенные (узкополосные) схемы обнаружения
Методы дифференциального разрядного моста
Акустические и ультразвуковые методы

Методы полевых испытаний

Полевые измерения исключают использование клетки Фарадея , а источник питания также может быть компромиссом с идеалом. Поэтому полевые измерения подвержены шуму и, следовательно, могут быть менее чувствительными. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Для испытаний ЧР заводского качества в полевых условиях требуется оборудование, которое может быть не всегда доступно, поэтому для полевых измерений были разработаны другие методы, которые, хотя и не такие чувствительные и точные, как стандартизированные измерения, но существенно более удобны. Полевые измерения должны быть быстрыми, безопасными и простыми, если они хотят широко применяться владельцами и операторами объектов среднего и высокого напряжения.

Переходные напряжения на земле (TEV) — это индуцированные скачки напряжения на поверхности окружающих металлических конструкций. TEV были впервые обнаружены в 1974 году доктором Джоном Ривзом. ^{[ 4 ]} компании EA Technology . TEV возникают из-за того, что частичный разряд создает всплески тока в проводнике и, следовательно, также в заземленном металле, окружающем проводник. Доктор Джон Ривз установил, что сигналы TEV прямо пропорциональны состоянию изоляции для всех распределительных устройств одного типа, измеренному в одной и той же точке. Показания TEV измеряются в дБмВ. Импульсы TEV полны высокочастотных составляющих, и, следовательно, заземленные металлические конструкции имеют значительное сопротивление относительно земли. Поэтому возникают скачки напряжения. Они будут оставаться на внутренней поверхности окружающих металлоконструкций (на глубину примерно 0,5 мкм в мягкой стали при частоте 100 МГц) и замыкаться на внешнюю поверхность везде, где есть электрическая неоднородность в металлоконструкциях. Существует вторичный эффект, при котором электромагнитные волны, генерируемые частичным разрядом, также генерируют TEV на окружающих металлических конструкциях - окружающие металлические конструкции действуют как антенна. TEV являются очень удобным явлением для измерения и обнаружения частичных разрядов, поскольку их можно обнаружить без электрического подключения или снятия каких-либо панелей. Хотя этот метод может быть полезен для обнаружения некоторых проблем в распределительном устройстве и поверхностном отслеживании внутренних компонентов, чувствительность вряд ли будет достаточной для обнаружения проблем в кабельных системах с твердым диэлектриком.

Ультразвуковые измерения основаны на том факте, что частичный разряд излучает звуковые волны. Частота излучений по своей природе представляет собой «белый» шум и, следовательно, создает волны ультразвуковой структуры через твердый или заполненный жидкостью электрический компонент. Используя корпусной ультразвуковой датчик, расположенный снаружи обследуемого объекта, можно обнаружить и локализовать внутренние частичные разряды, когда датчик расположен ближе всего к источнику.

Метод HFCT Этот метод идеально подходит для обнаружения и определения тяжести ЧР путем измерения интервала между импульсами. Чем ближе всплески подходят к «пересечению нулевого напряжения», тем более серьезным и критическим является повреждение частичного разряда. Локализация места повреждения осуществляется с помощью описанного выше АЭ.

Обнаружение электромагнитного поля улавливает радиоволны, генерируемые частичным разрядом. Как отмечалось ранее, радиоволны могут создавать TEV на окружающих металлических конструкциях. Более чувствительные измерения, особенно при более высоких напряжениях, могут быть достигнуты с использованием встроенных УВЧ-антенн или внешней антенны, установленной на изолирующих прокладках в окружающих металлических конструкциях.

Обнаружение направленного ответвителя улавливает сигналы, исходящие от частичного разряда. Этот метод идеально подходит для соединений и аксессуаров, поскольку датчики располагаются на полупроводниковых слоях соединения или аксессуара. ^{[ 5 ]}

Последствия частичного разряда в изоляционных системах

Однажды начавшись, ЧР вызывает постепенное ухудшение изоляционных материалов, что в конечном итоге приводит к электрическому пробою . Последствия частичного разряда в кабелях и оборудовании высокого напряжения могут быть очень серьезными и в конечном итоге привести к полному выходу из строя. Совокупным эффектом частичных разрядов в твердых диэлектриках является образование многочисленных разветвляющихся частично проводящих разрядных каналов — процесс, называемый древовидной структурой . Повторяющиеся разряды вызывают необратимое механическое и химическое разрушение изоляционного материала. Повреждения вызваны энергией, рассеиваемой электронами или ионами высокой энергии , ультрафиолетовым светом от разрядов, воздействием озона на стенки пустот и растрескиванием, поскольку в процессе химического распада выделяются газы под высоким давлением. Химическое преобразование диэлектрика также имеет тенденцию к увеличению электропроводности диэлектрического материала, окружающего пустоты. Это увеличивает электрическое напряжение в незатронутой (пока) области зазора, ускоряя процесс пробоя. Ряд неорганических диэлектриков, в том числе стекло , фарфор и слюда значительно более устойчивы к повреждениям вследствие частичного разряда, чем органические и полимерные диэлектрики.

В высоковольтных кабелях с бумажной изоляцией частичные разряды начинаются с небольших отверстий, проникающих в бумажные обмотки, прилегающие к электрическому проводнику или внешней оболочке. По мере прогрессирования активности частичного разряда повторяющиеся разряды в конечном итоге вызывают необратимые химические изменения в пораженных слоях бумаги и пропитывающей диэлектрической жидкости. Со временем образуются частично проводящие обугленные деревья. Это создает большую нагрузку на оставшуюся изоляцию, что приводит к дальнейшему росту поврежденной области, резистивному нагреву вдоль дерева и дальнейшему обугливанию (иногда называемому трекингом ). В конечном итоге это приводит к полному нарушению диэлектрики кабеля и, как правило, к электрическому взрыву .

Частичные разряды рассеивают энергию в виде тепла, звука и света. Локальный нагрев от частичного разряда может вызвать термическую деградацию изоляции. Хотя уровень нагрева частичного разряда обычно низок для частот постоянного тока и линий электропередачи, он может ускорить выход из строя высоковольтного высокочастотного оборудования. Целостность изоляции высоковольтного оборудования можно подтвердить путем мониторинга активности частичного разряда, возникающей на протяжении всего срока службы оборудования. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения и долгосрочную эксплуатационную устойчивость, ЧР в высоковольтном электрооборудовании следует тщательно контролировать с помощью сигналов раннего предупреждения для проверки и технического обслуживания.

Частичный разряд обычно можно предотвратить путем тщательного проектирования и выбора материалов. В критическом высоковольтном оборудовании целостность изоляции подтверждается с помощью оборудования для обнаружения частичных разрядов на этапе производства, а также периодически в течение срока службы оборудования. Предотвращение и обнаружение частичных разрядов необходимы для обеспечения надежной и долгосрочной работы высоковольтного оборудования, используемого электроэнергетическими предприятиями .

Мониторинг событий частичного разряда в трансформаторах и реакторах

С помощью соединителей и датчиков УВЧ сигналы частичного разряда обнаруживаются и передаются в главный блок управления, где применяется процесс фильтрации для подавления помех. Амплитуда и частота импульсов частичных разрядов УВЧ оцифровываются, анализируются и обрабатываются для формирования соответствующих выходных данных о частичных разрядах, диспетчерского управления и сбора данных ( SCADA сигнализации ). В зависимости от поставщика системы, выходы частичного разряда доступны через локальную сеть, через модем или даже через веб-просмотр.

Способность различать различные типы частичных разрядов (ЧР) и точно их локализовать имеет решающее значение для эффективного тестирования и мониторинга ЧР. Эта возможность позволяет выполнять корректирующий ремонт во время плановых простоев, предотвращая сбои, которые часто приводят к дорогостоящим простоям и связанным с ними простоям или производственным потерям. ^{[ 6 ]}

Международные стандарты и информационные руководства

МЭК 60060-2: 1989 Методика испытаний высоким напряжением. Часть 2. Измерительные системы.
IEC 60270:2000/ BS EN 60270:2001 «Методы испытаний высоким напряжением – измерения частичных разрядов»
МЭК 61934:2006 «Электроизоляционные материалы и системы. Электрические измерения частичного разряда при кратковременном нарастании и повторяющихся импульсах напряжения».
МЭК 60664-4:2007 «Координация изоляции оборудования низковольтных систем. Часть 4. Учет воздействия высокочастотного напряжения».
МЭК 60034-27:2007 «Вращающиеся электрические машины. Автономные измерения частичных разрядов на изоляции обмотки статора вращающихся электрических машин».
IEEE Std 436™-1991 (R2007) «Руководство IEEE по измерению коронного разряда (частичного разряда) на электронных трансформаторах»
IEEE 1434–2000 «Руководство IEEE по пробному использованию по измерению частичных разрядов во вращающихся машинах»
IEEE 400-2001 «Руководство IEEE по полевым испытаниям и оценке изоляции экранированных силовых кабельных систем»
ПД МЭК /ТС 62478:2016 «Методика испытаний высоким напряжением. Измерение частичных разрядов электромагнитными и акустическими методами»

См. также

Ссылки

^ «Решения и датчики для мониторинга двигателей | Монитра» . www.monitra.co.uk .
^ DF Warne Достижения в области техники высокого напряжения , Институт инженеров-электриков , 2004 г. ISBN 0-85296-158-8 , стр. 166
^ Дэвис, Н.; Джонс, Д. (12 июня 2008 г.). «Испытание распределительного распределительного устройства на частичный разряд в лаборатории и на местах». Протокол конференции Международного симпозиума IEEE по электроизоляции 2008 года . ИИЭЭ . стр. 716–719. дои : 10.1109/ELINSL.2008.4570430 . ISBN 978-1-4244-2091-9 .
^ Дэвис, Н., Тан, JCY, Шил, П. (2007), Преимущества и опыт неинтрузивных измерений частичных разрядов на распределительных устройствах среднего напряжения, CIRED 2007, документ 0475.
^ Краатц П., Плат Р., Генрих Р., Калкнер В.: Чувствительное измерение и определение частичных разрядов на месте с использованием датчиков направленной связи в сборных соединениях на 110 кВ, 11-я ISH99, Лондон, документ 5.317 P5
^ «Что такое частичный разряд? | Монитра» . www.monitra.co.uk .

Библиография

Основы техники высокого напряжения, Э. Куффель, В. С. Заенгль, паб. Пергамон Пресс. Первое издание, 1992 г. ISBN 0-08-024213-8
Инженерные диэлектрики, Том IIA, Электрические свойства твердых изоляционных материалов: молекулярная структура и электрическое поведение, Р. Бартникас, Р. М. Эйххорн, Специальная техническая публикация ASTM 783, ASTM, 1982 г.
Инженерные диэлектрики, Том I, Измерение и интерпретация коронного разряда, Р. Бартникас, Э. Дж. МакМахон, Специальная техническая публикация ASTM 669, ASTM, 1979, ISBN 0-8031-0332-8
Электричество сегодня, май 2009 г., стр. 28–29.
Поммеренке Д., Стрел Т., Генрих Р., Калкнер В., Шмидт Ф., Вайсенберг В.: Различение внутреннего частичного разряда и других импульсов с использованием датчиков направленной связи в кабельных системах высокого напряжения, Транзакции IEEE по диэлектрикам и электрической изоляции, Том .6, № 6, декабрь 99 г., стр. 814–824.

Внешние ссылки

[1] «Решения и датчики для мониторинга двигателей | Монитра» . www.monitra.co.uk .

[2] DF Warne Достижения в области техники высокого напряжения , Институт инженеров-электриков , 2004 г. ISBN 0-85296-158-8 , стр. 166

[IEEE-3] Дэвис, Н.; Джонс, Д. (12 июня 2008 г.). «Испытание распределительного распределительного устройства на частичный разряд в лаборатории и на местах». Протокол конференции Международного симпозиума IEEE по электроизоляции 2008 года . ИИЭЭ . стр. 716–719. дои : 10.1109/ELINSL.2008.4570430 . ISBN 978-1-4244-2091-9 .

[4] Дэвис, Н., Тан, JCY, Шил, П. (2007), Преимущества и опыт неинтрузивных измерений частичных разрядов на распределительных устройствах среднего напряжения, CIRED 2007, документ 0475.

[5] Краатц П., Плат Р., Генрих Р., Калкнер В.: Чувствительное измерение и определение частичных разрядов на месте с использованием датчиков направленной связи в сборных соединениях на 110 кВ, 11-я ISH99, Лондон, документ 5.317 P5

[6] «Что такое частичный разряд? | Монитра» . www.monitra.co.uk .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]