Какие дефекты приводят к появлению в изоляции частичных разрядов

Выявление дефектов изоляции кабельных изделий, приводящих к возникновению частичных разрядов, электроискровым методом контроля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Редько Виталий Владимирович, Леонов Андрей Петрович, Бурцева Любовь Борисовна, Редько Людмила Анатольевна

Описаны возможности детектирования частичных разрядов в изоляции при контроле кабельного изделия методом «на проход». Показано, что обнаружение дефектов, приводящих под действием высокого напряжения к частичным разрядам, в рамках данного метода невозможно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Выявление дефектов изоляции кабельных изделий, приводящих к возникновению частичных разрядов, электроискровым методом контроля»

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ, ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ МЕТОДОМ КОНТРОЛЯ

В.В. Редько, А.П. Леонов, Л.Б. Бурцева, Л.А. Редько

Томский политехнический университет E-mail: ultratone@rambler.ru

Изоляция кабельного изделия, высокое напряжение, поверхностные разряды, частичные разряды.

Одним из наиболее распространенных методов контроля целостности изоляции кабельного изделия непосредственно во время прохождения его по экструзионной линии является электроискровой метод электрического неразрушающего контроля или метод испытания напряжением «на проход». Суть метода заключается в приложении высокого напряжения к поверхности изоляции кабельного изделия посредством специального электрода. При этом токопроводящие элементы изделия заземляют. При попадании дефектного участка изоляции в зону высокого напряжения в нем возникает электрический пробой. Это приводит к резкому возрастанию тока в образовавшейся цепи, что фиксируется автоматикой дефектоскопа и определяется как дефект.

Недостатком такого контроля является ограничение в возможностях выявления дефектов разного рода, таких как поры, неглубокие разрезы и неровная поверхность изоляции, инородные непроводящие включения и т. д.

Одними из наиболее сложных к обнаружению видов дефектов являются воздушные включения и поры в изоляции, в которых под действием напряжения возникает явление частичных разрядов, вызывающее старение и последующее разрушение твердой изоляции.

Физический принцип рассматриваемого контроля позволяет выявить только те виды дефектов, в которых за короткое время нахождения участка изоляции изделия (порядка 0,001..1 с) происходит искровой пробой. Практика показывает, что при нормальных расчетных уровнях напряжений, выбранных для разных толщин изоляции из резины или пластиката в соответствии с нормативными документами [1, 2], искровой пробой происходит в 100 % случаев только при дефектах с отсутствием изоляции. Это могут быть проходящие насквозь изоляции трещины, дырки, сдиры, проводящие включения. Физически это

Редько Виталий Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры информационно-измерительной техники Института неразрушающего контроля ТПУ, директор ООО «НПО Редвилл», г. Томск. E-mail: ultratone@rambler.ru

Область научных интересов: метод и приборы электроискрового контроля качества изоляции кабельных изделий. Леонов Андрей Петрович, канд. техн. наук, доцент кафедры электромеханических комплексов и материалов Института природных ресурсов ТПУ.

E-mail: leonov_ap@tpu.ru Область научных интересов: конструирование изоляции кабельных изделий.

Бурцева Любовь Борисовна, аспирант кафедры информационно-измерительной техники Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: lubai@sibmail.com

Область научных интересов: метод и приборы электроискрового контроля качества изоляции кабельных изделий. Редько Людмила Анатольевна, канд. техн. наук, доцент кафедры физических методов и приборов контроля Института неразрушающего контроля ТПУ.

E-mail: la_redko@list.com Область научных интересов: метод и приборы электроискрового контроля качества изоляции кабельных изделий.

может быть объяснимо следующими факторами: пробивное напряжение воздуха значительно меньше пробивного напряжения диэлектрика, в указанных видах дефектов легко происходит пробой по поверхности диэлектрика (по границе воздух-диэлектрик).

Разрушение изоляции при дефектах, не проходящих насквозь изоляции (воздушные включения, утонения, порезы, шероховатость, наплывы и т. д.), может произойти вследствие теплового пробоя изоляции. Такой пробой возможен при значительном увеличении уровня напряжения и времени выдержки под напряжением участка изоляции. Однако такие условия могут способствовать электрическому старению бездефектной изоляции и часто бывают просто трудновыполнимы в рамках рассматриваемого метода контроля.

«Пропущенные» дефекты выявляются при выходном контроле, поэтому очевидно, что при выявлении всего разнообразия видов дефектов в изоляции изделий уже на этапе экструзии понижается риск брака продукции. Одновременно повышается информативность электроискрового контроля.

Целью приведенного ниже исследования является получение информации о возможности выявления частичных разрядов при испытаниях методом «на проход».

Частичные разряды и высокое напряжение

Частичными разрядами (ЧР) называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка [3].

Измерение уровня и интенсивности ЧР способствует обнаружению дефектов в изоляции [4]. Таким образом, в анализе параметров токов, протекающих в изоляции, состоит идея совмещения испытания «на проход» и контроля каждого участка изделия на ЧР.

Фактором, снижающим достоверность контроля по уровню ЧР, является наличие поверхностных разрядов (в местах контакта высоковольтного электрода дефектоскопа с поверхностью контролируемой изоляции). Поверхностные разряды (ПР) могут быть разной природы, в основном это коронные разряды, переходящие в местах соприкасания с поверхностью изделия в скользящие разряды. Физика процесса возникновения ЧР и ПР схожа, однако на практике величины разрядов от дефектов и от поверхности различаются.

На рис. 1 показан пример расположения дефекта в изоляционном слое и его схема замещения.

Пользуясь известными методами расчета подобных схем, можно определить значение напряжения на участке дефекта и0 [3]. При отсутствии ЧР

где и — прикладываемое напряжение; г — радиальная толщина изоляции; г0 — размер дефекта вдоль приложения напряжения; ет — относительная диэлектрическая проницаемость изоляции. Относительная диэлектрическая проницаемость дефекта, для упрощения, принята за единицу, так как дефект заполняется, как правило, воздухом.

Выражение (1) справедливо для изоляции с однородным электрическим полем. Обычно поле в изоляции неоднородно. При этом напряжение и0 зависит еще от места расположения газового включения. Наименьшее значение напряжения и0 имеет место, если дефект находится в области наибольших напряженностей. В этом случае

где Кн — коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции, равный отношению максимальной напряженности Емах к средней напряженности Еср в изоляционном промежутке.

Как следует из закона Пашена, для газовых включений размером г0 в десятки микрометров при давлении близком к атмосферному пробивное напряжение ивпр. слабо зависит от размеров включения и для воздуха примерно равно 300 В.

Рис. 1. а) пример расположения дефекта в изоляционном слое; б) электрическая схема замещения

Чтобы определить возможность обнаружения дефектов изоляции по уровню ЧР необходимо на ряде конкретных примеров сравнить уровень ПР с уровнем ЧР в зоне дефекта (или на дефектном участке) и рассмотреть методы селекции. Схема эксперимента приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема измерения уровня ЧР и ПР

Уровень ЧР измерялся в соответствии с ГОСТ 20074-83 «Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов» [4].

Полоса пропускания полосового фильтра, образованного элементами Сі, Лі, С2, Лосц и Сосц, составляет 0,3^2 МГц. Коэффициент передачи в полосе пропускания составляет кп=0,5. Электродный узел «ЭУ-30/150» выполнен по классической схеме, состоящей из шариковых цепей из нержавеющей стали. Диаметр шариков 3,2 мм.

При отсутствии контролируемого кабельного изделия Сиз (объекта испытаний) в зоне электродного узла уровень ПР пренебрежительно мал.

На рис. 3 приведены осциллограммы напряжений на выходе фильтра (схема в соответствии с рис. 2).

Рис. 3. Осциллограмма испытательного напряжения и напряжения ПР при отсутствии объекта контроля в зоне испытаний (в электроде)

Суммарная емкость электродного узла по отношению к точке заземления составила около 4,8 пФ. С учетом коэффициента передачи полосового фильтра максимальная величина ПР составила не более 100 пКл. При введении объекта контроля в область испытаний неоднородность электрического поля возрастает, при этом возрастают интенсивность и величины ПР. На рис. 4 приведена осциллограмма напряжений при испытании монтажного провода НВ-1-0,2 (провод с медной луженой жилой в изоляции из поливинилхлоридного пластиката). Внешний диаметр D=1,3 мм, диаметр токопроводящей жилы d=0,6 мм, радиальная толщина изоляции г=0,35 мм. В соответствии с ГОСТ 23286-78 «Кабели, провода и шнуры. Нормы толщин изоляции, оболочек и испытаний напряжением» амплитуда испытательного напряжения должна быть не менее 7 кВ. Испытания проводились по методике в соответствии с ГОСТ 2990-78 «Кабели, провода и шнуры. Испытания напряжением» [1, 2].

На рис. 5 приведена осциллограмма напряжений при испытании монтажного провода МГШВ-0,35 (провод с медной луженой жилой с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката с дополнительным волокнистым слоем). Внешний диаметр D=1,6 мм, диаметр токопроводящей жилы d=0,6 мм, радиальная толщина изоляции г=0,5 мм. В соответствии с ГОСТ 23286-78 амплитуда испытательного напряжения должна быть не менее 10 кВ.

Рис. 4. Осциллограмма напряжений при испытании монтажного провода НВ-1

Рис. 5. Осциллограмма напряжений при испытании монтажного провода МГШВ-0,35

На рис. 6 приведена осциллограмма напряжений при испытании провода ПВКВ-6 (провод с медной жилой и изоляцией из кремнийорганической резины). Внешний диаметр D=4,7 мм, диаметр токопроводящей жилы d=2,7 мм, радиальная толщина изоляции г=1 мм. В соответствии с ГОСТ 23286-78 амплитуда испытательного напряжения должна быть не менее 18 кВ.

Рис. 6 . Осциллограмма напряжений при испытании монтажного провода ПВКВ-6

Из приведенных осциллограмм видно, что с ростом испытательного напряжения увеличивается уровень и интенсивность ПР.

Уровень ПР рассчитывается по формуле [4]:

где Кп — коэффициент передачи фильтра на частоте следования ПР; ик — наибольшая амплитуда ПР; Ск — электрическая емкость участка кабеля, находящегося в зоне испытаний.

Для провода НВ-1 уровень ПР составляет 3 нКл, для провода МГШВ-0,35 уровень коронных зарядов — 3,5 нКл, а для провода ПВКВ-6 — уже 10 нКл.

Расчетный уровень частичных разрядов для дефекта кубической формы со стороной размером 100 мкм в соответствии с выражением (1) при соответствующих уровнях испытательных напряжений составит:

• 4 пКл для провода НВ-1-0,2;

• 7 пКл для провода МГШВ-0,35;

• 12 пКл для провода ПВКВ-6.

Таким образом, фоновый уровень ПР превышает уровень частичных разрядов от дефекта размером 100 мкм более чем в 1000 раз. В ряде работ, посвященных контролю состояния изоляции по уровню ЧР, отмечается, что уровень помех, как правило, находиться в диапазоне

Существуют методы частотного разделения сигналов от частичных и ПР [5]. Скорость протекания ПР ниже чем при ЧР. Для анализа использовался фильтр верхних частот с частотами среза 10 и 100 МГц. При использовании фильтра с частотой среза 10 МГц величина заряда от короны составила 3,5 нКл, при использовании фильтра с частотой среза 100 МГц величина заряда от ПР составила 1 нКл. На рис. 7 представлена осциллограмма импульса ПР на выходе фильтра 100 МГц. Схема фильтра приведена на рис. 8.

Напряжение на выходе

Рис. 7. Осциллограмма импульса ПР на выходе фильтра 100 МГц

Рис. 8. Схема измерения уровня ЧР и ПР через фильтр 100 МГц

Увеличение частоты среза до 100 МГц привело к существенному снижению сигнала от ПР, в 10 раз. Тем не менее, этого недостаточно для выделения на их фоне сигналов от ЧР величиной в единицы, десятки пКл. Дальнейшее увеличение частоты среза не представляется возможным, так как требует для анализа сигналов специальных СВЧ зондов со связью по электромагнитному каналу.

Разделение сигналов от ЧР и ПР по их интенсивности затруднительно, так как интенсивность ЧР в изоляции контролируется на временном интервале в единицы, десятки минут, а испытание изоляции кабельных изделий на технологической линии происходит в течение единиц, десятков миллисекунд.

Зависимость уровня ПР от частоты испытательного напряжения

В качестве электродного узла использовался шариково-цепочный электрод. Контролировался провод МГШВ-0,35 напряжением 10 кВ амплитудного значения синусоидальной формы. Диапазон частот выбран исходя из практики контроля и требований нормативных документов. Замеры проводились также и при контроле постоянным напряжением. Частота среза фильтра высоких частот при измерениях уровня ПР составляла 100 МГц. Результаты экспериментов приведены на рис. 9.

50 500 Ю-* 2*10^ З*103 4*10’* 5*10^

Рис. 9. Зависимость величины ПР от частоты испытательного напряжения

Из приведенных зависимостей видно, что наименьший уровень фоновых ПР имеется при контроле постоянным высоким напряжением. С ростом частоты уровень ПР возрастает. При частоте контролирующего напряжения свыше 1 кГц рост уровня ПР прекращается. Наибольшее соотношение уровня ПР на высокой частоте по сравнению с постоянным напряжением равно 4.

Уровень фона при контроле высоким постоянным напряжением составил дкр = 100 пКл при длине электрода 150 мм. Используя выражения (1) и (2), определим минимальный размер дефекта, имеющий уровень частичных разрядов не менее ^ = 100 пКл. Размер дефекта кубической формы составит гдеф = 0,25 мм при величине испытательного напряжения иисп = 10 кВ и радиальной толщине изоляции гиз = 0,5 мм. Такой уровень сигнала еще не позволит надежно разделять сигналы частичных разрядов в дефектах изоляции от фонового шума от ПР. При этом радиальная толщина изоляции снижается вдвое. Пробивное напряжение изоляции из ПВХ толщиной 0,25 мм составит 6. 10 кВ. Соответственно дефект, еще не достигнув размера, необходимого для надежного обнаружения по уровню частичных разрядов, приведет к электрическому пробою дефектного участка изоляции.

Зависимость уровня поверхностного разряда от параметров электрода

Конструкция электрода и параметры величин прикладываемого напряжения выбирались в соответствии с действующим стандартом МЭК 62230. [6] Такой электрод может быть выполнен в виде трубы или кольца. Для эксперимента с использованием постоянного напряжения был выбран электрод в виде трубы. Внутренний диаметр выбранного электрода составил 12 мм, длина — 150 мм, испытательное напряжение — 10 кВ постоянного тока. Испытанию подвергался кабель МГШВ-0,35. Уровень фоновых ПР составил дкр=150 пКл.

Для контроля переменным напряжением был выбран электрод в виде кольца. Расстояние между электродом и поверхностью изоляции составило 2 мм. Амплитуда испытательного напряжения составила 10 кВ при частоте повторения 500 Гц. Форма напряжения — синусоида. Для удобства сравнения контролю подвергался кабель МГШВ-0,35. Уровень фоновых ПР составил дкр = 1230 пКл.

Исследования показали, что применение других конструкций электродов, используемых на практике, не привело к существенным изменением уровня фоновых ПР.

Также проводились исследования зависимости уровня ПР от длины электрода. Использовались цепочно-шариковый и бесконтактный трубчатый электроды. Выяснилось, что длина электрода не оказывает существенного влияния на уровень ПР, а лишь на их интенсивность.

При испытаниях методом «на проход» возможен анализ параметров токов, протекающих в изоляции, который позволяет выявлять сигналы от разрядов, протекающих по поверхности изоляции и частичных разрядов в являющихся дефектами воздушных включений в изоляции.

Проведенные исследования показывают, что выделение сигналов от частичных разрядов на фоне сигналов от поверхностных разрядов практически невозможно. Величина фоновых поверхностных разрядов при испытаниях повышенным напряжением превышает величину частичных разрядов в условном дефекте кубической формы размером сторон 0,1 мм более чем в 1000 раз. Применением специальных фильтров удается снизить соотношение до нескольких сотен раз. При контроле постоянным напряжением уровень фоновых поверхностных разрядов значительно ниже, чем при контроле переменным напряжением. Однако и этого уровня недостаточно для выявления дефекта. При увеличении размера дефекта уровень частичных разрядов также будет увеличиваться, но при этом электрический пробой дефектного участка изоляции наступит раньше, чем уровень частичных разрядов превысит уровень фоновых поверхностных разрядов.

1. ГОСТ 2990-78. Кабели, провода и шнуры. Методы испытания напряжением. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. — 9 с.

2. ГОСТ 23286-78. Кабели, провода и шнуры. Нормы толщин изоляции, оболочек и испытаний напряжением. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. — 17 с.

3. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. — Л.: Энергия. Ле-нингр. отд-ние, 1979. — 224 с.

4. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов — М.: Изда-во стандартов, 1984. — 24 с.

5. Техника высоких напряжений / под общ. ред. Д.В. Разевига. — М.-Л.: Энергия, 1976. — 488 с.

6. IEC 62230:2006. Electric cables — Spark-test method. — Geneva: IEC Central Office, 2006. — 48 р.

Поступила 22.01.2013 г.

Дефекты в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА / ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ / ДИАГНОСТИКА / ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ / НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ / ELECTROTECHNICAL DEVICES / PARTIAL DISCHARGES / DIAGNOSTICS / GAS-FILLED INCLUSIONS / ELECTRIC FIELD INTENSITY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Степанов Владимир Михайлович, Судавный Андрей Сергеевич

Показано что, даже незначительные дефекты в изоляции электротехнических устройств в долгосрочной перспективе приводят к аварийным ситуациям и выходу оборудования из строя. Рассмотрены разновидности дефектов в изоляции электротехнических устройств , приводящие к появлению частичных разрядов . Описаны развитие дефектов и их последствия, физические процесы происходящие в них.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEFECTS IN INSULATION OF ELECTRICAL DEVICES, LEADING TO THE APPEARANCE OF PARTIAL DISCHARGES

Even minor defects in the insulation of electrical devices in the long term lead to accidents and equipment failure. This article describes the types of defects in the insulation of electrical devices, leading to the appearance of partial discharges . The development of defects and their consequences, physical processes occurring in them are described.

Текст научной работы на тему «Дефекты в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

ДЕФЕКТЫ В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, ПРИВОДЯЩИЕ К ПОЯВЛЕНИЮ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Показано что, даже незначительные дефекты в изоляции электротехнических устройств в долгосрочной перспективе приводят к аварийным ситуациям и выходу оборудования из строя. Рассмотрены разновидности дефектов в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов. Описаны развитие дефектов и их последствия, физические процесы происходящие в них.

Ключевые слова: электротехнические устройства, частичные разряды, диагностика, газонаполненные включения, напряженность электрического поля.

Явление частичных разрядов в изоляции представляет интерес при диагностике состояния электротехнических устройств под нагрузкой. Рассмотрим причины возникновения частичных разрядов в изоляции электротехнических устройств.

Очень часто изоляция высоковольтного оборудования состоит из слоёв различных диэлектриков — электроизоляционных материалов, имеющих различную электрическую проводимость. Также в электроизоляционных материалах присутствуют включения, отличающиеся своими диэлектрическими свойствами от основной изоляции.

Таким образом, разнородность изоляции обуславливает различную диэлектрическую проницаемость структуры изоляции. Разность в диэлектрической проницаемости создаёт предпосылки к перераспределению электрических полей и возникновению участков с повышенной напряжённостью электрического поля.

На рис. 1. изображенаэлектроизоляция, состоящая из двух различных диэлектрических материалов.

Напряженности электрического поля, изображенного на рис 1, можно представить следующей формулой [1]:

В.М. Степанов, А.С. Судавный

где Е1, Е2- напряженность электрических полей в первом и втором слоеи-золяции; е,е2- относительные диэлектрические проницаемости соответствующих диэлектриков; А15 А2- толщины соответствующих слоев диэлектрика, Еср — средняя напряженность поля в изоляционном промежутке; и -приложенное напряжение.

Рис.1. Изоляция, состоящая из двух видов электроизоляционных

Таким образом, различие электрических характеристик слоёв изоляции в электротехнических устройствах сильно влияет на появление не-однородностей в электрическом поле и, как следствие, способствует появлению локальных участков с повышенной напряжённостью.

Часто разнородность структуры изоляции электротехнических устройств обусловлена их конструкцией. Примерами электротехнических устройств с электрической изоляцией, выполненной из нескольких слоёв различных диэлектриков, являются следующие устройства.

1. Трансформаторы — изоляция состоит из слоёв твердого диэлектрика: картон и бумага, а также жидкого диэлектрика — трансформаторного масла. Еще одной причиной неоднородности электрических полей в изоляции трансформаторов являются вкрапления пузырьков газа в трансформаторном масле, образующиеся в результате эксплуатации.

2. Измерительные трансформаторы — в изоляции данных электротехнических устройств также встречаются неоднородности электрического поля, вызванные газонаполненными включениями, закрытыми диэлектрическими клиньями, острыми кромками ёмкостных обкладок.

3. Силовые кабели — источниками неоднородности электрического поля так же являются включения в виде диэлектрических клиньев, газонаполненных включений и острые кромки брони кабеля в муфтах и концевых заделках.

4. В электротехнических устройствах, где основу изоляции составляет газ, источниками неоднородностей будут проводящие включения в газовой среде, а также дефекты изоляторов.

Таким образом, основными видами дефектов, вызывающих локальные перенапряжения электрического поля, можно назвать: газонаполненные включения сферической и сфероидной формы, газо- и маслонапол-ненные включения клиновидной формы, а также острые кромки различных металлических конструкций электротехнических аппаратов и кабелей.

На рис.2 изображено сферическое включение в диэлектрик.

Рис.2. Напряженность поля в сферических включениях

Рассмотрим формулы, описывающие напряженности в этих дефек-

где еВ, 8М — относительные диэлектрические проницаемости воздуха и масла соответственно; Еср — средняя напряженность поля в изоляционном промежутке;

ЕВ = — ■ Еср = 4Еср, (3)

где 8к — относительная диэлектрическая проницаемость картона;

Еп = cos a Ех = sin a, (4)

где Еп — нормальная напряженность; ЕТ — напряжённость по поверхности.

На рис.3 изображено сфероидальное включение в диэлектрик.

Рис.3. Напряженность в сфероидальных включениях

Во включениях в виде прослоек и клиньев (рис. 4) есть особенность, которая заключается в том, что из-за их расположения под углом к линиям напряженности поля напряженность в этих дефектах разделяется на две составляющие: нормальную напряженность Еп и напряженность по поверхности включения ЕТ.

Рис.4. Напряженность в маслонаполненных клиньях в слоевой

Также рассмотрим напряженность на краях металлических обкладок конденсаторов, брони кабеля и других мет.конструкций с острыми краями, находящимися в теле диэлектрика (рис.5).

Рис.5. Напряженность поля на краях металлических конструкций

в однородной среде

Напряженность на краях металлических обкладок можно выразить следующей формулой:

где Д-расстояние от метконструкции до границы диэлектрика; р-расстояние от метконструкции до расчётной точки М; Д0- толщина метконструкции.

Таким образом, рассмотрев возможные варианты появления неод-нородностей электрического поля в изоляции, перейдём к следствию их появления, а именно частичным разрядам. Под воздействием переменно-

го напряжения на границе однородного диэлектрика и включения концентрируются заряды, в тот момент, когда локальная напряженность превосходит диэлектрическую проницаемость в теле включения, происходит разряд, в результате разряда — следующие процессы: электромагнитное излучение, разложение диэлектрика, световое излучение, нагрев изоляции.

Так, выделяемая при разряде энергия тратится на работу по расширению канала разряда (до 20%), на потери нерезонансного излучения (до 15%), на теплоотвод (до 5 %) на и на ионизацию (до 3 %), а также более половины энергии разряда будет передаваться поверхностям включения или окружающему диэлектрику при бомбардировке её электронами и ионами.

Удар заряженных частиц о поверхность диэлектрика может привести к значительному локальному разогреву, разложению диэлектрика, особенно органического происхождения.

Также разряд порождает такие деградационные процессы в изоляции, так как быстропротекающий процесс расширения канала разряда вызывает ударную волну, которая вызывает разрушение поверхностного слоя диэлектриков и образование микротрещин в механически напряжённых участках изоляции [1]. Таким образом, происходит ухудшение основных свойств изоляции — снижается удельное объемное сопротивление и увеличивается диэлектрическая проницаемость, что приводит к пробою изоляции, коротким замыканиям в электротехнических устройствах и их выходу из строя.

1. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.

2. РД 34.45-51.300-97. Объём и нормы испытаний электрооборудования.

3. Чан Ки Фук. Расчёт распределения электрического поля в твёрдой высоковольтной изоляции, содержащей газовые включения // Элек-тричество.1995. №12.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, su-davny_a@mail.ru, Россия, Тула,Тульский государственный университет,

Судавный Андрей Сергеевич, аспирант, sudavny_a@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEFECTS IN INSULATION OF ELECTRICAL DEVICES, LEADING TO THE APPEARANCE OF PARTIAL DISCHARGES

V.M. Stepanov, A.S. Sudavny 390

Even minor defects in the insulation of electrical devices in the long term lead to accidents and equipment failure. This article describes the types of defects in the insulation of electrical devices, leading to the appearance of partial discharges. The development of defects and their consequences, physical processes occurring in them are described.

Key words: electrotechnical devices, partial discharges, diagnostics, gas-filled inclusions, electric field intensity

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, sudavny_a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sudavny Andrew Sergeevich, postgraduate, sudavny_a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ В ГРУНТЕ С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

С.Л. Шишигин, А.В. Черепанов, Д.С. Шишигин

Проводится расчет заземлителей при воздействии тока молнии с учетом частотной зависимости удельной проводимости и диэлектрической проницаемости земли. Приведены известные экспериментальные данные. Показано, что учет этих факторов существенно влияет на сопротивление заземлителя в высокоомном грунте на частотах тока молнии.Представлены результаты расчетов, полученные частотным методом в программном комплексе ZYM.

Ключевые слова: частотный метод, удельнаяпроводимость грунта, диэлектрическая проницаемость грунта, заземлитель, ток молнии.

При расчете заземлителей удельное сопротивление грунта принято считать постоянной величиной, не зависящей от частоты. В последнее время появилась серия зарубежных публикаций [1 — 4], где адекватность традиционной модели грунта поставлена под сомнение, поскольку экспериментально доказано, что сопротивление заземлителя в частотном диапазоне тока молнииснижается на 50% и более по сравнению с сопротивлением на низкой частоте.Очевидно, что результаты работ [1 — 4] требуют подробного изучения.

В земле содержится большое количество солей, кислот и влаги, которые создают электролиты. Электролиты и определяют электропроводность земли. Частотная зависимость удельной проводимости и диэлектрической проницаемости электролитов была открыта П. Дебаем, Х. Фалькенхагеном [5] еще в 1928 г. и уточнена K.S. Cole, R.H. Cole [6] в 1941 г. Обзор и анализ современного состояния экспериментальных исследований по определению частотных характеристик удельной

Частичные разряды в изоляции высоковольтного оборудования

Частичные разряды

Частичный разряд (ЧР) – это искровой разряд очень маленькой мощности, который образуется внутри изоляции, или на ее поверхности, в оборудовании среднего и высокого классов напряжения. С течением времени, периодически повторяющиеся частичные разряды, разрушает изоляцию, приводя в конечном итоге к ее пробою. Обычно разрушение изоляции под действием частичных разрядов происходит в течение многих месяцев, и даже лет. Таким образом, регистрация частичных разрядов, оценка их мощности и повторяемости, а также локализация места их возникновения, позволяет своевременно выявить развивающиеся повреждения изоляции и принять необходимые меры для их устранения.

Основные термины

Определим основные термины и интегральные параметры, описывающие частичные разряды в высоковольтном оборудовании.

Все имеющиеся в мире стандарты по ЧР определяют некоторый набор «интегральных» величин, которые могут рассчитываться или непосредственно измеряться при тесте состояния изоляции. Стандарты разных стран могут различаться в деталях, но, в основных понятиях они совпадают. В Европе используется стандарт IEC-270. Расчетные параметры, получаемые в приборе R2200, ориентированы на американский стандарт, потому, что прибор создавался для совместной продажи на рынках России и Америки. В России тоже ведутся разработки своего стандарта по ЧР, однако в настоящее время он еще не завершен.

Все стандарты по ЧР базируются на понятии «кажущийся заряд«. Под «кажущимся» зарядом понимают такой заряд, который необходимо дополнительно и мгновенно «впрыснуть» в контролируемое оборудование, чтобы восстановить равновесие, нарушенное возникновением импульса ЧР. В этом определении очень важно то, что мы не знаем параметры реального заряда, например, внутри газового включения, а измеряем (замеряем) реакцию контролируемого высоковольтного объекта схемы на возникший ЧР. Заряд потому и назван «кажущимся», так как мы не знаем истинного значения реального ЧР. Измеряется кажущийся заряд ЧР в пКл (пикоКулонах). Если сложить все заряды, зарегистрированные в оборудовании за одну секунду, то получится ток ЧР – это ток, который протекает в цепи, контролируемой датчиком, дополнительно за счет возникновения ЧР. В среднем этот ток является чисто активным и характеризует потери в изоляции из-за возникновения ЧР.

Исторически важной характеристикой является «максимальный измеренный заряд«. Почти все изготовители высоковольтного оборудования до сих пор пользуются этой величиной (если вообще чем-то пользуются) на приемных испытаниях. Конечно, понятно, что нужно измерять, что-то статистически достоверное. В старых приборах статистика задается временем усреднения, а в современных приборах это решается удалением из рассмотрения случайных одиночных выбросов. Например, в определении американского стандарта это звучит так: «амплитуда наибольшего повторяющегося разряда при наблюдении постоянных разрядов». Следовательно, этот термин не предусматривает анализ отдельных выбросов. Чтобы сделать это определение более конкретным, ограничимся учетом только тех ЧР, которые повторяются не менее 10 раз за секунду. В нашем случае, при частоте питающей сети в 50 герц, мы получаем, что один импульс должен быть не реже, чем за 5 периодов сети. Для удобства пользования этот термин будем брать в следующей формулировке: импульс ЧР будем считать периодически повторяющимся, если частота его следования составит 0,2 импульса на один период питающей сети. Далее в тексте параметр будет отражаться как Qmax. Будем делать это одинаково для любой частоты сети, 50 и 60 герц.

Ценность этого параметра достаточно высока. Многие методы диагностики базируются на нем, хотя как отдельно взятый параметр – он скорее плохой, чем хороший, по крайней мере, при постоянном мониторинге под рабочим напряжением. Мы имеем много оборудования, где большие (по амплитуде) ЧР живут успешно годами, а малые, но с большой частотой повторения – означают реальную проблему.

Как посчитать потери вызванные ЧР. Это можно сделать достаточно просто, физически. При каждом импульсе ЧР мы дополнительно впрыскиваем из источника испытательного напряжения в контролируемый объект «кажущийся» заряд. Заряд инжектируется мгновенно и связан с конкретным напряжением питающей сети. Значит энергия, которая дополнительно вводится в оборудование из-за единичного ЧР, равна заряду, умноженному на мгновенное напряжение на объекте. Далее нужно просуммировать все импульсы и получить полную энергию ЧР. Если полную энергию поделить на время суммирования, то получим мощность ЧР. Этот параметр называется «потери энергии на частичные разряды».

Формула частичного разряда:

Формула частичного разряда

P – мощность разрядов, W,

T – время наблюдения, сек,

m –число зарегистрированных импульсов за время T, и

Qi*Vi – энергия i-го импульса

Основные параметры единичного частичного разряда

Базируясь на фазовом распределении импульсов ЧР, можно рассчитать мгновенное значение приложенного напряжения, конечно, если фазовая привязка импульсов выполнена правильно и достоверно рассчитана мощность. Однако не все приборы регистрируют фазовое распределение импульсов. А если эта функция в них реализована, то используемый датчик ЧР регистрирует импульсы с двух или даже трех фаз объекта. Какое напряжение следует брать в таком случае, с какой фазы? Для решения этого вопроса американский стандарт по ЧР предлагает использовать еще один диагностический параметр, который чаще всего называют PDI — «Partial Discharge Intensity». В этой величине вместо мгновенного напряжения в момент прохождения импульса ЧР берется его действующее значение, то есть одинаковое напряжение для всех импульсов, а не персональное для каждого. Проводя сравнительные расчеты можно убедиться, что различие параметров, рассчитанных в первом и во втором случаях, лежит в пределах 20 %. Этого вполне достаточно, чтобы корректно оценить уровень и строить тренд. Параметр PDI является одним из основных, используемых для оценки интенсивности ЧР в контролируемом объекте.

Очень важными являются еще два параметра единичного частичного разряда, которыми оперируют практически все разработчики диагностического оборудования и практические пользователи этого оборудования. Это частота и длительность импульса частичного разряда. Определим смысл этих параметров при помощи рисунка.

Параметры ЧР

Частота импульса частичного разряда. Несмотря на кажущуюся физическую простоту этого параметра, применительно к теории частичных разрядов он может иметь вариации. На рисунке видно, что первый фронт зарегистрированного импульса достаточно крутой, но уже после первого максимума сигнал «спадает» по более пологой кривой, которая постоянно меняет свою форму. В самом же конце импульса мы имеем затухающие колебания с более высокой частотой.

Что принять в данном случае за частоту импульса частичного разряда, начало, середину, или окончание импульса? Очевидно, что эти параметры могут различаться многократно, в несколько раз, что хорошо иллюстрирует приведенный рисунок.

Необходимо кратко пояснить физическую картину данного процесса. Первоначально импульс частичного разряда возникает непосредственно в зоне дефекта. Далее импульс распространяется, электромагнитным или электрическим способом, в окружающий объем, который также имеет свои электромагнитные свойства, отличные от свойств зоны дефекта. Различие свойств этой окружающей зоны приводит к появлению в регистрируемом сигнале колебаний с другой резонансной частотой. В конечном итоге импульс может затухнуть на еще большем удалении от места возникновения, например, это может произойти уже в элементах конструкции оборудования. Частотные свойства этих сред также имеют свои резонансные свойства, причем, что самое важное, с частотными свойствами зоны дефекта они никак не связаны.

Мы приходим к выводу, что непосредственно к частоте импульса частичного разряда в зоне дефекта имеет отношение только его передний фронт, который в наибольшей мере соответствует частотным свойствам разряда. Все остальное в сигнале относится к электромагнитным свойствам среды вокруг зоны дефекта. Чем больше времени прошло с момента возникновения импульса, тем больший объем вокруг дефекта вовлечен в процесс колебаний, тем больше частот может быть «замешено» в сигнале.

Истинная частота импульса частичного разряда максимально достоверно может быть определена только параметрами переднего фронта импульса, что полностью соответствует использованию математического выражения:

F = 1 / 4*T

Согласно этому выражению, величину «длительности одного периода импульса частичного разряда» можно определить как длительность переднего фронта импульса, умноженная на четыре. Данное определение не нужно путать с другим параметром, называемым «длительностью импульса частичного разряда». Этот параметр мы определим иначе.

Общая «длительность импульса частичного разряда». С расчетом этого параметра импульса частичного разряда дело обстоит существенно проще. Для этого необходимо только принять решение о моменте времени, который следует считать окончанием импульса частичного разряда. Дело в том, при медленном затухании импульса в определении этого параметра может быть большой произвол.

Самое простое решение – импульс частичного разряда можно считать завершившимся в тот момент времени, когда его амплитуда станет меньше значения в 10% от максимальной амплитуды данного сигнала. Ограничение в 10% является условным, это может быть и 5%, но именно 10% наиболее просто использовать на практике. При меньших значениях этого параметра окончание процесса труднее определить, так как он теряется в шуме.

Таким образом, каждый импульс частичного разряда характеризуется тремя параметрами:

«Q» – величина кажущегося заряда, количественно пропорциональная максимальной амплитуде импульса.
«F» – частота импульса частичного разряда, количественно обратно пропорциональная длительности первого фронта импульса, умноженной на четыре.
«T» – длительность импульса частичного разряда, определенная по уровню 10% от максимального значения импульса.

Причины возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования

Появление частичных разрядов – начальная стадия развития большинства дефектов в высоковольтной изоляции. Возникшие частичные разряды со временем перерастают в искровые и дуговые разряды, приводящие к авариям.

Обычно частичные разряды возникают в полостях и зонах изоляции, имеющих дефекты – посторонние вкрапления, газовые пузырьки, зоны увлажнения.

При росте напряжения на участке дефекта возникает один или несколько частичных разрядов, приводящих к перераспределению потенциалов внутри объема изоляции.

Если дефект располагается ближе к внешней поверхности изоляции, к более высокому потенциалу, то частичных разрядов будет больше на положительной полуволне питающего напряжения, и меньше на отрицательной.

Если дефект располагается ближе к «земляному» потенциалу, то наооборот, разрядов будет больше на отрицательной полуволне питающего напряжения.

Книга Русова В.А. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования

Это статья взята из книги Русова В.А. «Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования»

Обнаружение частичных разрядов

В условиях современной российской энергетики, когда до 50 % основного силового электрооборудования достигло проектного срока эксплуатации, основной задачей диагностики становится продление срока службы оборудования до полной выработки его реального ресурса. Представлено исследование метода обнаружения частичных разрядов импульсным методом.

1. Аксенов Ю.П. Мониторинг технического состояния высоковольтной изоляции электрооборудования энергетического назначения в эксплуатации и при ремонтах. – М.: Научтехлитиздат, 2002. – 338 с.

2. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. – Л.: Энергия. Ленингр. отд., 1979. – 224 с.

3. Вдовико В.П. Час тичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. – Новосибирск: Наука, 2007. – 41 с.

4. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 240 с.

5. Устройство для обнаружения частичных разрядов: Патент РФ № 2014106561/07; заявл. 20.02.2014; опубл.17.03.2015, Бюлл. № 16. – 6 с.

В число неразрушающих испытаний изоляции высоковольтного оборудования, наряду с широко распространенными измерениями тангенса угла диэлектрических потерь и абсорбционных характеристик, входит определение характеристик частичных разрядов (ЧР) [1].

Практически в любом высоковольтном оборудовании в рабочих режимах существуют ЧР, однако их разрушающая способность может различаться. При длительной эксплуатации высоковольтного оборудования, в связи воздействием на его изоляцию внешних факторов, в диэлектрике возникают дефекты, приводящие к появлению частичных разрядов [2].

Органическая изоляция всех видов интенсивно разрушается как самими ЧР, так и побочными продуктами их действия. В конечном итоге воздействие ЧР приводит к развитию дефекта и пробою всей изоляции [3, 4].

Диагностика частичных разрядов в настоящее время испытывает трудности в связи с отсутствием объективных методов их обнаружения. Поэтому вопрос по диагностированию частичных разрядов является достаточно актуальным. В связи, с этим нами была предпринята попытка разработки нового метода при помощи подачи импульсанапряжения с крутым фронтом.

За основу была принята схема, предложенная в [5]. Схема состоит из источника постоянного тока типа УИП-2, искрового воздушного коммутатора, накопительного импульсного конденсатора ИК-100-0,1, испытуемого конденсатора (объект), шунта сопротивлением 11,104 мОм, осциллографа Tektronix типа TDS 1012B с полосой 100 МГц.

Принцип работы схемы. Через первое положение, с помощью источника регулируемого напряжения, происходит зарядка импульсного конденсатора, при этом подаваемое напряжение намного ниже предполагаемого напряжения возникновения разряда и постепенно поднимается. Для контроля над подаваемым напряжением используется вольтметр, который устанавливается параллельно источнику напряжения. Путем переключения ключа во второе положение происходит разрядка импульсного конденсатора на испытуемый объект. Фиксация формы тока производится с шунта при помощи осциллографа TDS 1012B, полученные данные сохраняются на персональном компьютере (рис. 1).

Какие дефекты приводят к появлению в изоляции частичных разрядов

Текст научной работы на тему «Выявление дефектов изоляции кабельных изделий, приводящих к возникновению частичных разрядов, электроискровым методом контроля»

DEFECTS IN INSULATION OF ELECTRICAL DEVICES, LEADING TO THE APPEARANCE OF PARTIAL DISCHARGES

Текст научной работы на тему «Дефекты в изоляции электротехнических устройств, приводящие к появлению частичных разрядов»

Частичные разряды в изоляции высоковольтного оборудования

Основные термины

Формула частичного разряда:

Основные параметры единичного частичного разряда

Причины возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования

Похожие материалы:

Обнаружение частичных разрядов

Добавить комментарий Отменить ответ