При длительном воздействии эксплуатационных факторов (электрическое поле, изменения температуры, механические воздействия, увлажнение и т. п.) в изоляции оборудования высокого напряжения могут возникнуть ослабленные места — дефекты. Обычно такими дефектами являются газовые (воздушные) включения в твердом или жидком диэлектрике, возникшие из-за нарушения структуры изоляции (расслоения, разрывы), или из-за попадания в конструкцию газов (газовыделение из изоляции, плохая вакуумировка и т. п.). Дефекты могут быть также следствием некачественного заводского изготовления изоляции.
Напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в окружающем твердом или жидком диэлектрике, ибо диэлектрическая постоянная их выше, чем диэлектрическая постоянная газа. Электрическая прочность газов во включении ниже, чем прочность остальной части изоляции. Это создает условия для возникновения пробоя или перекрытия изоляции в месте дефекта — частичного разряда.
Частичные разряды, будучи следствием дефектов изоляционной конструкции, в то же время являются одним из процессов, вызывающих дальнейшее разрушение диэлектриков.
По определению, принятому в ГОСТ 20074—83, частичным разрядом называется электрический разряд, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, находящимися под разными потенциалами. Он возникает вследствие ионизации газа или жидкого диэлектрика и может происходить как на поверхности раздела сред, так и внутри изоляции.
В дальнейшем частичным разрядом в изоляции рассматриваемого объекта будет называться как скользящий (поверхностный) разряд, так и пробой отдельных зон или элементов изоляции. Эти внутренние частичные разряды и должны быть обнаружены путем измерений. Во избежание путаницы внешние по отношению к изоляции объекта частичные разряды, мешающие измерению внутренних частичных разрядов, будут называться разрядами помех.
Процесс возникновения и развития частичных разрядов существенно зависит как от типа примененного диэлектрика, так и от конструктивных особенностей изоляции объекта.
Изоляция неорганического происхождения (фарфор, стекло, слюда и т. п.) частичными разрядами практически не разрушается. Поэтому развитие дефекта в изоляции такого типа может быть связано лишь с побочным действием частичных разрядов (разрушение связующего лака, увеличение проводимости поверхностей из-за окислов, возникающих при разрядах в воздухе, и т. п.).
Органическая изоляция всех видов (бумага, масло, пластики) интенсивно разрушается как самими частичными разрядами, так и побочными продуктами их действия. В конечном итоге воздействие частичных разрядов приводит к развитию дефекта и пробою (перекрытию) всей изоляции.
Каждая изоляционная конструкция может быть охарактеризована напряжением возникновения и напряжением погасания частичных разрядов. В тех случаях, когда частичные разряды не разрушают изоляцию, напряжения возникновения и погасания разрядов близки друг к другу и их значение мало зависит от длительности воздействия напряжения. У объектов с изоляцией, разрушаемой частичными разрядами, как правило, напряжение погасания разрядов ниже напряжения возникновения и зависит от длительности воздействия напряжения и его значения. Для такой изоляции кривая зависимости интенсивности частичных разрядов от напряжения при подъеме лежит ниже, чем при снижении. Такая «гистерезисная» зависимость нередко является основным признаком разрушающего действия частичных разрядов.
Для диэлектриков, разрушаемых частичными разрядами, различают два существенно отличающихся вида разрядов — начальные и критические [10].
Начальные частичное разряды — это разряды слабой интенсивности, не приводящие к заметному разрушению изоляции при длительном (тысячи часов) воздействии и не снижающие при кратковременном воздействии значения напряжения погасания разрядов. При длительном существовании таких разрядов происходит старение изоляции.
Критические частичные разряды — разряды большой интенсивности, вызывающие быстрое разрушение изоляции и снижение значения напряжения погасания разрядов.
Внешними проявлениями процесса частичных разрядов являются электрические и акустические явления, выделение газов, свечение, нагрев изоляции. Для условий эксплуатации наиболее перспективны электрические и акустические методы измерений, а также контроль газов, выделяемых изоляцией.
Наиболее разработаны и получили широкое применение электрические методы измерений, рассматриваемые ниже.
Рис. 10. Схемы замещения для исследования процесса частичных разрядов в изоляции
Схема замещения. Схема объекта, в изоляции которого происходят частичные разряды, может быть представлена (рис. 10,а) в виде емкости включения Св, последовательно с ней соединенной емкости неповрежденной части твердой изоляции Ст, силовые линии поля которой проходят через включение, и емкости Со остальной части диэлектрика. Если при приложении переменного напряжения к диэлектрику напряжение на включении станет равным начальному напряжению ионизации ί/в.в, произойдет частичный разряд емкости включения. На схеме замещения это показано включением параллельно емкости Св искрового промежутка с разрядным напряжением UB.B.
Напряжение на объекте при возникновении разряда
(17)
Частичный разряд — это в большинстве случаев искровой разряд емкости включения Св. Поскольку индуктивность в цепи разряда пренебрежимо мала, можно принять, что разряд емкости происходит через сопротивление rв, эквивалентное усредненному значению сопротивления канала разряда. При этом напряжение на включении уменьшается на ∆Uв и протекает ток разряда.
За время протекания тока частичного разряда нейтрализуется заряд включения.
Ток разряда
(20)
С учетом (18) и (19) получим
(20)
Поэтому емкость включения при частичном разряде на схеме замещения можно заменить эквивалентным генератором напряжения ∆uв (рис. 10,б).
В зависимости от размеров включения и среды, в которой происходит разряд, длительность импульса тока и, следовательно, длительность фронта импульса напряжения эквивалентного генератора Δuв составляют от 3·10-9 до 3·10-7 с.
Ввиду кратковременности процесса частичного разряда по сравнению с постоянной времени сети можно считать, что во время разряда источник энергии в восполнении заряда на объекте не участвует. Тогда при частичном разряде из-за нейтрализации заряда между емкостью Св и остальной емкостью Со объекта произойдет перераспределение зарядов, которое вызовет падение напряжения ΔU на объекте. Из схемы рис. 10,б следует, что
(21)
Отсюда следует дальнейшая возможность упрощения схемы замещения объекта при частичном разряде в изоляции — путем последовательного включения с емкостью объекта эквивалентного генератора Δη (рис. 10,в). Такая схема целесообразна при рассмотрении процессов, происходящих на зажимах объекта.
Следует иметь в виду, что полученная схема замещения применима лишь к объектам с сосредоточенной емкостью. Объекты с распределенной емкостью изоляции в общем случае для импульсного процесса не могут быть представлены такой схемой. В дальнейшем, если это не будет специально оговорено, будем принимать, что объект по отношению к внешней схеме устройства можно рассматривать как сосредоточенную емкость.
Интенсивность частичных разрядов. Так называется значение одной или нескольких количественных характеристик, связанных либо с единичным импульсом частичного разряда, либо с их совокупностью. К количественным характеристикам единичного частичного разряда относятся кажущийся заряд q импульса частичного разряда и его энергия W. К количественным характеристикам последовательности импульсов частичных разрядов относятся средняя частота F следования импульсов и средний ток Iч.р.
Для оценки интенсивности частичных разрядов также используются мощность Р разрядов, квадратичный параметр D и суммарный заряд Q за интервал времени Т.
Заряд q, в действительности нейтрализуемый при частичном разряде, так же, как и падение напряжения ΔUΒ на включении, не может быть измерен непосредственно. Внешним проявлением частичного разряда при электрических методах измерения является падение напряжения ∆U на объекте. Однако поскольку ΔU зависит от емкости объекта, эта характеристика неудобна. Поэтому обычно измеряют заряд q=∆UCx, который называют кажущимся зарядом частичного разряда.
Кажущимся зарядом частичного разряда называется абсолютное значение заряда, который, будучи мгновенно введен между выводами объекта, вызовет такое же кратковременное изменение напряжения между его выводами, как и частичный разряд в объекте. Кажущийся заряд частичного разряда является достаточно удобной количественной характеристикой, ибо дает возможность получения сопоставимых характеристик частичных разрядов на разных объектах.
Обычно емкость включения Св много больше емкости неповрежденной части изоляции Ст, включенной последовательно с дефектом. При этом СХ≈СО-СТ.
Хотя кажущийся заряд частичного разряда широко применяется для количественной характеристики процесса частичных разрядов, следует иметь в виду, что действительное значение заряда q частичного разряда при неизменном q может изменяться в значительных пределах в зависимости от места и характера дефекта (в зависимости от изменения отношения Ст/Св).
При частичном разряде искрой закорачивается емкость включения, т. е. общая емкость объекта изменяется на величину ∆СХ. При достаточно большой постоянной времени внешней схемы в процессе разряда приток энергии от источника питания отсутствует, поэтому заряд объекта до и после разряда одинаков:
откуда после преобразований с учетом (21) и малости произведения ΔUΔCχ следует, что
(24)
В каждом полупериоде приложенного переменного напряжения может произойти несколько разрядов, причем число разрядов зависит от соотношения между амплитудой приложенного напряжения и напряжением возникновения частичного разряда.
Для частичных разрядов, наблюдаемых в условиях эксплуатации, характерна сравнительно небольшая частота следования; нередко наблюдаются нестабильные разряды — короткие серии импульсов с промежутками между ними от нескольких секунд до минут.
Средним током частичных разрядов называется величина, представляющая собой сумму абсолютных значений кажущихся зарядов qk импульсов частичных разрядов в единицу времени:
(25)
где Т — время усреднения.
Если измерена средняя частота следования Fk импульсов разрядов с зарядом qk, то
(26)
Измеряют или непосредственно ток разрядов, или кажущийся заряд и количество (среднюю частоту следования) импульсов с данным зарядом. В последнем случае значение тока разрядов вычисляется по (26).
Мощность, расходуемая на частичные разряды в одном включении, определяется по формуле
При измерении средней частоты следования Fk импульсов с зарядом qk мощность разрядов
Квадратичный параметр —сумма квадратов зарядов импульсов частичных разрядов в единицу времени:
Основной количественной характеристикой, измеряемой при определении интенсивности частичных разрядов, является кажущийся заряд импульса. Кроме того измеряется средняя частота следования или количество импульсов за известный отрезок времени. Реже измеряются средний ток частичных разрядов и их мощность. Полученные данные о кажущемся заряде и частоте следования используют для расчета остальных характеристик.
В эксплуатационных условиях обычно измеряется значение кажущегося заряда, причем в большинстве случаев интерес вызывает лишь наибольший заряд импульса измеряемой последовательности.
