На основе анализа дефектов литой эпоксидной изоляции и их влияния на электрическую прочность изоляторов предлагается комбинированная методика диагностики изоляторов, основанная на одновременном измерении сигналов ЧР по электрическому и оптическому каналам. Показано, что оптический метод измерения ЧР с использованием ФЭУ позволяет получить более достоверную количественную информацию о наличии дефектов на поверхности изолятора, чем электрический. При этом одновременная регистрация сигналов ЧР по оптическому и электрическому каналам выявляет полезную диагностическую информацию относительно размещения и типа дефекта.
УДК 621.317.333.6:621.315.62
В. Н. Вариводов, И. Г. Трипотень
ДИАГНОСТИКА ЭПОКСИДНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ДЛЯ ГАЗОИЗОЛИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Большинство внутренних изоляционных элементов высоковольтных газоизолированных устройств изготавливается из литых эпоксидных компаундов. Основные характеристики, определяющие качество литой эпоксидной изоляции (ЛЭИ), — электрическая и механическая прочность. Дефекты изоляции приводят к ухудшению этих характеристик. Выделяют следующие дефекты ЛЭИ [1—3]: газовые включения внутри и раковины на поверхности изоляторов; металлические включения как на поверхности, так и внутри диэлектрика; отслоения на границе поверхности металлической арматуры, заливаемой в тело изолятора, и эпоксидного компаунда; трещины внутри объема диэлектрика; повышенная неоднородность компаунда (наличие непромесов связующего и наполнителя). Наиболее опасными считаются [3] так называемые отслоения, расположенные на границе раздела металлической арматуры и компаунда, а также на границе твердого и газообразного диэлектрика. Такого рода дефекты могут значительно снижать не только длительную электрическую прочность ЛЭИ, но и кратковременную электрическую прочность по поверхности изоляторов.
Причиной появления отслоений является недостаточно хорошая адгезия металлической арматуры к компаунду и различие в температурных коэффициентах линейного расширения металла и диэлектрика. При монтаже или при резких перепадах температуры у изоляторов может произойти отслаивание металлического электрода от массы компаунда. В образовавшемся зазоре развиваются интенсивные частичные разряды (ЧР).
Дефекты на поверхности изолятора, являясь местами локального усиления электрического поля, в сильных квазиоднородных электрических полях могут вызывать поверхностные частичные разряды (ПЧР), что приводит к накоплению избыточного заряда на поверхности диэлектрика, искажению первоначального электрического поля и преждевременному перекрытию изолятора. Как видно из представленных на рис. 1 экспериментальных данных, эффект снижения напряжения перекрытия Uпер у изоляторов с поверхностными дефектами может быть весьма значителен. Прогнозировать степень снижения Uпер очень трудно, так как она зависит от многих факторов, прежде всего от вида, размера и места расположения дефекта. Осмотр изоляторов после испытаний показал также наличие эрозии и следов от микроразрядов на поверхности вокруг сколов и раковин.
Рис. 1. Напряжение поверхностного перекрытия опорной эпоксидной изоляции в SF6 в зависимости от давления газа (постоянное напряжение положительной полярности):
1—3 — изоляторы с чистой поверхностью, с поверхностными дефектами в виде раковин или металлических вкраплений и с металлической частицей на поверхности соответственно; 4 — металлическая частица длиной 5 мм, диаметром 0,07 мм
Традиционным и практически единственным удовлетворительным методом обнаружения отслоений и других дефектов в изоляции является измерение уровня ЧР. Наиболее широко используются электрический и акустический методы. Акустический метод имеет недостаточную чувствительность для измерения ЧР слабой интенсивности внутри или на поверхности изолятора. Он пригоден лишь в определенных границах, поскольку физически невозможно скоординировать данные акустических и электрических измерений [4]. Наиболее простым и надежным является электрический метод, в основе которого лежит прежде всего регистрация кажущегося заряда ЧР как наиболее информативной характеристики состояния изоляции [5]. Использование других электрических методов (например, измерения абсорбционных токов) диагностической информации о наличии в ЛЭИ дефектов не дает, а лишь служит оценкой общего состояния изоляции [6]. Исключение составляет методика [7], основанная на измерении tgδ с помощью модифицированного моста диэлектрических потерь, которая позволяет обнаруживать не только ЧР в газовых полостях, но и начальные стадии развития дендрита.
Диагностика ЛЭИ по характеристикам ЧР тем более важна, так как согласно современным представлениям о механизме пробоя полимерной изоляции [8] основным фактором, определяющим срок службы изоляции, являются ЧР, развивающиеся в местах дефектов. Однако единых норм по допустимому уровню ЧР в изоляторах газоизолированных устройств до сих пор нет. Так, в рекомендациях МЭК [9] указан допустимый уровень ЧР для изоляторов КРУЭ, равный 20 пКл при испытательном напряжении Uисп=1,1 Ераб. Результаты исследований [10] показывают, что допустимый уровень ЧР в эпоксидных изоляторах при напряженности электрического поля в диэлектрике 3—3,5 кВ/мм должен быть примерно 1 пКл, что значительно жестче, чем по требованиям МЭК. Некоторые зарубежные фирмы отбраковывают при испытаниях повышенным напряжением все изоляторы с ЧР [11]. Отсутствие единых норм по допустимому уровню ЧР в ЛЭИ во многом вызвано тем, что приведенные литературные данные получены на разных образцах, без учета особенностей изолирующей конструкции, места расположения и типа дефекта. Так, вполне очевидно, что если для изоляторов с внутренними дефектами можно допустить некоторый уровень ЧР, определяемый заданным сроком службы, то изоляторы с дефектами, расположенными на поверхности, подлежат отбраковке при любом уровне ПЧР.
Возможность обнаружения отслоений изучалась на образцах конструкции, представленной на рис. 1, моделирующих реальные опорные изоляторы газоизолированного кабеля на напряжение 110кВ. Испытания проводились в элегазе при давлении 0,4 МПа и в воздухе при Р = 0,1 МПа. Представленные на рис. 2 результаты испытаний изолятора с открытым отслоением показывают, что начальная напряженность зажигания ЧР Ен (1) и соответствующий кажущийся заряд Qx (2) нестабильны во времени. В течение времени т с момента заполнения испытательной камеры элегазом до проведения испытаний возможно более чем двукратное увеличение Ен. Характерно, что при повторном испытании изоляторов в воздухе (также с предварительным вакуумированием) значения Ен и Qx снижаются до исходных, которые имели место в изоляторе до испытаний в SF6. Испытывалось 10 образцов изоляторов с отслоениями. Напряженность возникновения ЧР составляла при τ≈1 ч 2,5—5,0 кВ/мм, а при выдержке в SF6 от одних до нескольких суток Еп возрастало до 10—15 кВ/мм. В некоторых изоляторах Ен не изменилось с течением времени. Видимо, это обусловлено существованием закрытых отслоений, в которые доступ окружающего газа затруднен.
Рис. 2. Зависимость напряженности зажигания ЧР в изоляторе с отслоением и величины кажущегося заряда от времени выдержки в SF6 при давлении 0,4 МПа
Таким образом, проведенные испытания изоляторов показали, что максимальная испытательная напряженность в твердом диэлектрике при индикации отслоений в SF6 должна быть достаточно большой (около 15 кВ/мм). Однако эффективность диагностики изоляторов улучшится, если испытания проводить либо при малых т, либо в воздухе (с добавлением в испытательную камеру SF6 для повышения напряженности перекрытия). В этом случае максимальная испытательная напряженность может быть снижена до 5 кВ/мм. Необходимую чувствительность схемы измерения ЧР при диагностике изоляторов, имеющих отслоения, можно оценить с помощью полученных данных. Так, интенсивность ЧР в образцах с отслоениями во всех случаях достаточно высока (более 5 пКл при Ен). Отсюда следует, что чувствительность электрической схемы измерений ЧР должна быть равной 10-12 Кл.
Обнаружение дефектов на поверхности изоляторов также является одной из важнейших задач диагностики ЛЭИ. Дефекты на поверхности изоляторов в сильных квазиоднородных электрических полях могут вызывать микроразряды с очень низкой интенсивностью начальной ионизации, которая составляет в SF6, по данным наших измерений, менее 1 пКл в единицах кажущегося заряда. При этом по измерениям кажущегося заряда электрическим методом сложно определить тип дефекта и тем более место его расположения: в толще изолятора или на его поверхности. Кроме того, учитывая низкую интенсивность ПЧР, трудно обеспечить необходимую чувствительность измерительной схемы для их обнаружения.
В данной работе для выявления поверхностных дефектов использован фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Интенсивность ПЧР измерялась с помощью ФЭУ-37 с максимумом спектральной чувствительности фотокатода в диапазоне 380—420 нм, что практически совпадает с максимумом излучения в элегазе и воздухе. Эквивалентная чувствительность этого метода в единицах электрического заряда [12] в воздухе составляла 10-15 Кл, а в элегазе— 10-14 Кл. Схема измерений, представленная на рис. 3, позволяла идентифицировать импульсы ПЧР по оптическому и электрическому каналам, регистрировать значение кажущегося и фактического зарядов, а также измерять средний ток ФЭУ (Iфэу).
Рис. 3. Схема измерения характеристик ЧР оптическим и электрическим методами:
Rогр— защитное сопротивление; Сс — емкость связи; И — исследуемый изолятор; СИ — стабилизированный источник напряжения для питания ФЭУ; Д — делитель напряжения; Г — гальванометр; ЭО — электронный осциллограф
В условиях развитых ПЧР, например в SF6, измерить амплитуду отдельного импульса ПЧР чрезвычайно сложно: уже при перенапряжении —1,3 импульсы ПЧР сливаются в один большой импульс сложной формы. Кроме того, ПЧР не всегда имеют импульсный характер. В случае безимпульсной формы разряда схемы, измеряющие параметры одного импульса, непригодны. Поэтому при диагностике изоляторов с помощью ФЭУ практический интерес представляет измерение не только единичных импульсов ПЧР, но и зависимостей Iфэу=f(U).
Для исследования использовались образцы ЛЭИ, на которых имелись либо технологические (раковины, металлические включения), либо искусственные дефекты (например, отрезок тонкого медного провода диаметром 0,07 мм, закрепленный на поверхности изолятора).
Рис. 4. Зависимость фототока ФЭУ от приложенного к изолятору напряжения в
Эксперименты проводились в герметизированной светонепроницаемой камере, на высоковольтный ввод которой подавалось переменное напряжение промышленной частоты. На рис. 4 представлены наиболее характерные зависимости фототока ФЭУ от приложенного к изолятору напряжения. Указанные зависимости получены для изоляторов с поверхностными дефектами в виде пор и раковин (кривые 1, 4, 7) для изоляторов, не имеющих видимых дефектов на поверхности (кривые 5, 8), а также для изоляторов с искусственным дефектом в виде отрезка (L=5 мм) медного провода (кривые 2, 3, 6). Из анализа полученных зависимостей видно, что ПЧР имели место при достижении определенного напряжения на всех образцах изоляторов, в том числе и на образцах без видимых дефектов. Ход зависимости Iфэу=f(U) в воздухе, смеси элегаза с азотом и чистом элегазе идентичен. Важно отметить также, что ход зависимостей Iфэу=f(U) сохраняется и при повторном приложении к изолятору высокого напряжения. Следовательно, по зависимости фототока от приложенного к изолятору напряжения можно судить о наличии поверхностных дефектов, а если значения Iфэу отградуировать в единицах мощности в соответствии с методикой [13], то и об интенсивности ПЧР.
Весьма распространенной ситуацией, имеющей место при диагностике реальных изоляторов, является наличие одновременно нескольких типов дефектов, например внутренних газовых включений, отслоений и металлических включений на поверхности изолятора. По измерению кажущегося заряда Qx нельзя сказать что- либо определенное о месте расположения дефекта (внутри или на поверхности изолятора). В то же время измерения по оптическому каналу не дают информации о внутренних дефектах изолятора.
В связи с этим в данной работе проверена методика одновременного измерения сигналов ЧР по электрическому и оптическому каналам. Сигналы с объекта подавались одновременно на вход двухлучевого запоминающего осциллографа, благодаря чему имелась возможность по фазе возникновения импульсов напряжения на экране осциллографа отличать сигналы ЧР во внутренних дефектах изолятора от сигналов ЧР, развивающихся на поверхности. Поскольку по оптическому каналу благодаря предварительной калибровке ФЭУ в единицах электрического заряда [12] измеряется фактический заряд q, реализуемый при ПЧР, а по электрическому каналу — кажущийся заряд, то имелась возможность оценить экспериментальным путем соотношение между этими зарядами. Обычно связь между ними устанавливается с помощью следующего приближенного соотношения:
(1)
где Сд — емкость диэлектрика, участвующего в ЧР, в зоне дефекта; С0 — емкость части диэлектрика, расположенной последовательно с дефектом.
При ПЧР используется та же емкостная схема замещения диэлектрика, но под Сд надо понимать емкость элемента поверхности, на котором действует разряд. В общем случае соотношение (1) носит неопределенный характер и градуировкой установлено быть не может. В простейшем случае, когда дефект находится в однородном поле и известны его геометрические размеры, а ограничивающие дефект лицевые поверхности являются эквипотенциалями, коэффициент передачи
можно оценить по следующему выражению:
(2) где ε — диэлектрическая проницаемость материала изолятора; h — размер дефекта; Н — межэлектродный промежуток.
Из выражения (2) следует, что кажущийся заряд при прочих равных условиях зависит от того, где развивается ЧР — внутри изолятора или на его поверхности. Следовательно, заряд, измеренный по электрическому каналу при реализации ПЧР, в ε раз меньше, чем кажущийся заряд, измеренный при ЧР такой же интенсивности во внутреннем дефекте. Уменьшение коэффициента передачи будет происходить и при увеличении габаритов изолятора (поскольку размеры дефектов остаются прежними). Экспериментальные данные, полученные в среде воздуха и соответствующие начальным импульсам ПЧР на опорных изоляторах 110 кВ (H= = 60 мм) и 220 кВ (H = 90 мм), показали, что коэффициент передачи сравнительно невысок: около 5-10-2—1,5-10-1.
Из сказанного ясно, что чувствительность электрического метода по отношению к фактическому заряду, реализуемому при ПЧР, является переменной величиной и зависит от того, где находится дефект (внутри или на поверхности изолятора), а также от межэлектродного расстояния. Отсюда следует, что прямое сравнение значений Qx, полученных на разных по габаритам образцах, неправомерно, поскольку одинаковым кажущимся зарядам могут в этом случае соответствовать существенно различные фактические заряды. Для изоляторов на более высокие классы напряжений, по-видимому, необходимо корректировать нормируемый по кажущемуся заряду допустимый уровень ЧР. Кроме того, учитывая, что соотношение между Qx и q при ПЧР может быть достаточно мало, для регистрации этих сигналов по электрическому каналу необходимо повышать чувствительность электрической измерительной схемы по крайней мере до уровня 10-15 Кл. Этот путь, если речь идет о промышленной отбраковке изоляторов, технически очень сложен. Более перспективным для выявления поверхностных дефектов является использование ФЭУ.
Из изложенного можно сделать следующие выводы.
Оптический метод диагностики изоляторов с использованием ФЭУ дает более достоверную количественную информацию о наличии поверхностных дефектов, чем электрический метод.
Одновременная регистрация сигналов ЧР по оптическому и электрическому каналам позволяет получить полную диагностическую информацию относительно размещения и типа дефекта.
