Частичные разряды в диагностике изоляционных систем высоковольтного оборудования

1. Введение. Частичные разряды могут развиваться в газовых включениях диэлектрика и приводить к старению и, как следствие, пробою изоляции. Интерес к изучению закономерностей и механизмов протекания частичных разрядов обусловлен широкими возможностями их использования в диагностике состояния изоляционной системы высоковольтного оборудования, в частности, выявления локальных дефектов, скрытых в толще диэлектрика.

2. Физическая модель частичного разряда. Частичный разряд — электрический разряд, локализованный внутри изоляционной среды, расположенной между двумя электродами [1]. Рассмотрим механизм возникновения частичного разряда в сферическом включении (поре), заполненном газом с диэлектрической проницаемостью , и находящимся в толще диэлектрика с диэлектрической проницаемостью .

Рис. 1. Поляризация диэлектрика при наличии газового включения

Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется (рис. 1), и на границах поры появляются нескомпенсированные связанные заряды, которые приводят к усилению внешнего поля внутри газового включения. Ориентация зарядов внутри поры, заполненной газом, приводит к незначительному уменьшению результирующего поля (). Электрическое поле внутри газового включения [6, с. 151] оказывается равным:

.

Таким образом, электрическое поле внутри поры превышает поле в диэлектрике (). Если напряженность электрического поля внутри включения достигнет значения, достаточного для пробоя газового диэлектрика (), то начнется процесс ударной ионизации и возникнет электронная лавина. Предельное значение напряженности, при котором возникает частичный разряд, определяется законом Пашена:

,

где  — давление (атм.),  — диаметр сферического включения [5, с. 99].

Исследованиям В. С. Дмитревского доказано, что с увеличением размера пор напряжение ионизации сначала уменьшается, а затем возрастает, поэтому для малых газовых включений следует ожидать увеличение износа изоляции при уменьшении напряжения начала ионизации , а для больших газовых включений — наоборот, при увеличении  [4, с. 12]. Если внешнее электрическое поле — переменное, то частичные разряды будут повторяться с определенной частотой.

Рис. 2. Схема замещения изоляционного промежутка с включением

Механизм развития частичных разрядов удобно рассматривать, используя схему замещения (рис. 2) изоляционного промежутка с включением [2, с. 41]. В соответствии со схемой замещения напряженность электрического поля во включении:

,

где  — емкость включения,  — емкость изоляции между поверхностью включения и электродом,  — толщина газового включения,  — толщина изоляции.

3. Характеристики частичных разрядов. Для диагностики частичных разрядов необходимы количественные показатели, анализ которых позволит оценить степень развития дефектов. Наиболее полный перечень характеристик частичных разрядов приведен в работе В. П. Вдовико [2, с. 49–51]. Условно характеристики частичных разрядов можно разделить на три группы: электрические, временные и характеристики распределения.

К электрическим характеристикам следует отнести:

-          кажущийся заряд () — абсолютное значение такого заряда, при мгновенном введении которого на электроды испытуемого объекта напряжение между электродами кратковременно изменится так же, как и при частичном разряде;

-          средний ток — сумма абсолютных значений кажущихся зарядов, деленная на интервал времени, в течение которого они регистрировались:

;

-          мощность — сумма произведений кажущихся зарядов на мгновенные значения воздействующего на изоляцию напряжения, деленная на интервал времени измерения:

;

-          напряжения возникновения () и погасания () частичных разрядов — приложенное к изоляции напряжение, при котором впервые появляются и, соответственно, прекращаются повторяющиеся частичные разряды.

Временные характеристики включают:

-          регулярность возникновения частичных разрядов () — доля периодов воздействующего напряжения, в которых регистрировались частичные разряды с кажущимся зарядом, равным или превышающим ;

-          время появления импульса частичного разряда () — интервал времени от начала отсчета до момента образования частичного разряда в периоде переменного напряжения, воздействующего на изоляцию;

-          частота повторения импульсов () — число импульсов, зарегистрированных в определенном временном интервале, деленное на интервал времени измерения.

К характеристикам распределения можно отнести:

-          распределение количества импульсов по значениям кажущихся зарядов () — зависимость количества частичных разрядов, зарегистрированных за время проведения измерений, от величины кажущегося заряда;

-          распределение значений кажущихся зарядов по фазе воздействующего напряжения () — зависимость величин кажущихся зарядов от фазовых углов их появления в периоде напряжения, воздействующего на изоляцию [2, с. 49–51].

4. Диагностика состояния изоляции при помощи частичных разрядов. На сегодняшний день частичные разряды достаточно широко используются в диагностике изоляционных систем высоковольтного оборудования, разработаны методики оценки состояния изоляции по измеренным характеристикам частичных разрядов.

Традиционный подход к измерению частичных разрядов определен ГОСТ 20074–83 Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов [3]. Однако интерпретация полученных количественных характеристик частичных разрядов с позиции оценки состояния изоляционной системы и прогнозирования возможностей ее дальнейшей эксплуатации не является столь однозначной.

В работе В. П. Вдовико [2], посвященной использованию частичных разрядов в диагностике высоковольтного оборудования, приводится алгоритм анализа диагностических параметров и формирования заключения о возможностях и сроках дальнейшей эксплуатации объекта измерения. В основу анализа положено сравнение полученных при диагностике значений параметров, в частности, кажущегося заряда, с их предельными значениями. Так, для трансформаторов с бумажно-масляной изоляцией при приложенном напряжении  ( — наибольшее рабочее напряжение трансформатора) кажущийся разряд не должен превышать 10 пКл. Для маслонаполненных трансформаторов также используется значение опасности частичного разряда. Уровень опасности зависит от величины кажущегося заряда частичного разряда при испытаниях: 100 пКл — допустимый, 1000 пКл — высокий, 10 000 пКл — критический уровень опасности. Сравнение кажущегося заряда с нормированным значением позволяет сделать вывод об общем состоянии изоляции, но не позволяет выявлять локальные дефекты и, тем более, причины их появления и развития.

Комплексная оценка вида частичного разряда может проводиться по результатам хроматографического анализа растворенных в масле газов. По соотношению концентраций четырех основных газов , ,  и  может быть определен вид дефекта, развивающегося в изоляции (таблица 1) [2, с.144].

Таблица 1

Диагностирование дефекта изоляции методом хроматографического анализа

Работа Р. Ван Бранта [1] посвящена рассмотрению общих механизмов протекания физических и химических процессов в газе при частичном разряде, а также затрагивает вопросы старения изоляции под действием частичных разрядов. Изменения диэлектрического материала происходят под воздействием быстрых электронов лавины с энергией более 10 эВ, в месте действия частичного разряда материал разрушается и исчезает. Однако автор отмечает, что до настоящего времени химические процессы, сопровождающие частичные разряды, остаются недостаточно исследованными, поэтому наиболее перспективными являются методы компьютерного моделирования развития частичных разрядов с учетом изменений химического состава диэлектрика.

В работе Ф. Р. Исмагилова и Д. В. Максудова [4] представлена математическая модель протекания частичного разряда в газовом включении, в рамках которой определена зависимость между интенсивностью частичных разрядов и размерами газовых включений в диэлектрике. Экспериментально доказано — спад интенсивности частичных разрядов является свидетельством того, что размеры газовых включений соизмеримы с толщиной диэлектрика, что свидетельствует о переходе диэлектрика в предпробойную стадию.

5. Вывод. Частичные разряды в газовых включениях являются одной из причин электрического старения и разрушения изоляционных систем высоковольтного оборудования. На сегодняшний день общие закономерности протекания частичных разрядов изучены достаточно полно, интерес для исследования представляют механизмы протекания частичных разрядов в различных условиях, в частности, химические процессы в стареющей изоляции. Количественные характеристики частичных разрядов, определенные в ГОСТ 20074–83, позволяют оценить общее состояние изоляционной системы, перспективным является исследование возможностей выявления локальных дефектов, скрытых в изоляции.

Литература:

1.       Ван Брант Р. Физика и химия частичных разрядов и короны: последние достижения и будущие последствия. — Уайтхедовские чтения. — 1994. — http://sibdiag.ru.

2.       Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. — Новосибирск: Наука, 2007.

3.       ГОСТ 20074–83 Электрооборудование и электроустановки.

4.       Метод измерения характеристик частичных разрядов.

5.       Дмитревский В. С. О минимуме напряжения начала ионизации в газовом включении. — Известия томского политехнического института. — Т. 204. — 1971. — С.9–13.

6.       Исмагилов Ф. Р., Максудов Д. В. Математическое моделирование развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика. — Вестник УГАТУ. — № 3. — 2011. — С.98–100.

7.       Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 1983. — С. 148–152