Глава четвертая
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Основные характеристики частичных разрядов. При длительном воздействии эксплуатационных факторов (электрического поля, изменений температуры, механических воздействий, увлажнения 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 или 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, так как 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.
Частичным разрядом (ЧР) 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.
Процесс возникновения и развития ЧР существенно зависит от типа примененного диэлектрика и от конструктивных особенностей изоляции объекта.
Изоляцию неорганического происхождения (фарфор, стекло, слюду и т. п.) ЧР практически не разрушают. Поэтому развитие дефекта в изоляции такого типа может быть связано лишь с побочным действием ЧР (разрушением связующего лака, увеличением проводимости поверхностей из-за окислов, возникающих при разрядах в воздухе, и т. п.).
Рис. 4.1. Схемы замещения для исследования процесса частичных разрядов в изоляции
Органическая изоляция всех видов (бумага, масло, пластики) интенсивно разрушается как самими ЧР, так и побочными продуктами их действия. В конечном итоге воздействие ЧР приводит к развитию дефекта и пробою (перекрытию) всей изоляции.
Каждая изоляционная конструкция может быть охарактеризована напряжением возникновения и напряжением погасания ЧР. В тех случаях, когда ЧР не разрушают изоляцию, напряжения возникновения и погасания разрядов близки друг к другу, и их значения мало зависят от длительности воздействия напряжения. У объектов с изоляцией, разрушаемой ЧР, как правило, напряжение погасания разрядов ниже напряжения возникновения и зависит от длительности воздействия напряжения и его значения. Для такой изоляции кривая зависимости интенсивности ЧР от напряжения при подъеме напряжения лежит ниже, чем при снижении. Такая ’’гистерезисная” зависимость нередко является основным признаком разрушающего действия ЧР.
Для диэлектриков, разрушаемых ЧР, различают разряды двух существенно различных видов - начальные и критические [3]. Начальные частичные 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.
Схема объекта, в изоляции которого происходят ЧР (рис. 4.1, а), содержит емкость включения Св, последовательно с ней соединенную емкость неповрежденной части изоляции Ст, силовые линии поля которой проходят через включение, и емкость С0 остальной части диэлектрика. Если напряжение на включении станет равным напряжению ионизации UB. в., произойдет разряд емкости Св. При этом нейтрализуется заряд включения qB, и напряжение на нем уменьшится на Δ UB. В зависимости от размеров включения и среды, в которой происходит разряд, длительность импульса тока ЧР может находиться в пределах от нескольких наносекунд до микросекунд.
Ввиду кратковременности процесса ЧР можно считать, что во время разряда источник энергии в восполнении заряда на объекте не участвует. Тогда при ЧР из-за нейтрализации заряда qB между емкостью Св и остальной емкостью объекта произойдет перераспределение зарядов, которое вызовет падение напряжения дельта U на объекте:
(4.1)
Отсюда следует упрощенная схема замещения объекта - с эквивалентным генератором Δ и (рис. 4.1, б), используемая при рассмотрении процессов, происходящих на зажимах объекта.
Следует иметь в виду, что эта схема замещения применима лишь к объектам с сосредоточенной емкостью. Объекты с распределенной емкостью изоляции (трансформаторы, генераторы и т. п.) в общем случае для импульсного процесса не могут быть представлены упрощенной схемой. В дальнейшем, если это не будет специально оговорено, будем принимать, что объект по отношению к внешней схеме устройства можно рассматривать как сосредоточенную емкость.
Заряд qB, в действительности нейтрализуемый при ЧР, так же как и падение напряжения Δί/Β на включении, не может быть измерен непосредственно. Внешним проявлением ЧР при электрических методах измерения является падение напряжения AU на объекте. Однако поскольку Δ U зависит от емкости объекта, эта характеристика неудобна. Поэтому обычно измеряют заряд q = Δ UCX, который называют кажущимся зарядом ЧР.
Кажущимся зарядом ЧР называется абсолютное значение заряда, который, будучи мгновенно введен между выводами объекта, вызовет такое же кратковременное изменение напряжения на объекте, как и ЧР в нем. Кажущийся заряд ЧР дает возможность получения сопоставимых характеристик частичных разрядов на разных объектах.
С учетом (4.1) кажущийся заряд
Обычно емкость включения Св много больше емкости неповрежденной части изоляции Сг. Тогда
Хотя кажущийся заряд ЧР широко применяется для количественной характеристики процесса частичных разрядов, следует иметь в виду, что действительное значение заряда qB при неизменном q может изменяться в значительных пределах в зависимости от места и характера дефекта (из-за изменения отношения Cj Св).
При ЧР искрой закорачивается емкость включения, т. е. на величину дельта СХ изменяется общая емкость объекта. При принятом допущении заряд объекта до и непосредственно после разряда одинаков:
откуда с учетом малости произведения дельта U, дельта СХ следует, что
Интенсивность ЧР определяется значениями количественных характеристик, связанных либо с единичным импульсом ЧР, либо с их совокупностью.
К количественным характеристикам единичного ЧР относятся кажущийся заряд q импульса и его энергия W. К количественным характеристикам последовательности импульсов ЧР относятся средняя частота F следования импульсов и средний ток.
Для оценки интенсивности ЧР также используются мощность Р разрядов и суммарный заряд Q за интервал времени Т.
Наиболее часто применяемая количественная характеристика ЧР - 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 лишь значение кажущегося заряда, причем в большинстве случаев интересует лишь наибольший заряд импульса измеряемой последовательности.
Методы контроля. Внешними проявлениями ЧР в изоляции являются эффекты, связанные с протеканием тока разряда, а также вызванные перераспределением зарядов элементов схемы из-за нейтрализации некоторого заряда в зоне дефекта.
Импульс тока разряда создает быстрые изменения электромагнитного поля и излучение в широкой области частот, а также скачки давления в окружающей среде. При перераспределении зарядов в схеме измерений протекают токи переходного процесса.
Длительное протекание ЧР приводит к накоплению продуктов разрушения изоляции, повышению давления в замкнутом объеме и изменению температуры объекта.
Излучение, вызванное импульсами тока ЧР, или индуктированные ими токи могут быть обнаружены соответствующим приемником в широкой области частот. Для целей технической диагностики изоляции широко используются электрические методы, основанные на измерении тока переходного процесса в схеме контроля, а также акустические методы обнаружения импульсов давления, вызванных разрядами. Эти методы будут рассмотрены ниже. Методы обнаружения продуктов разрушения изоляции описаны в гл. 5. Остальные методы обнаружения ЧР в практике эксплуатационного контроля оборудования применяются редко.
Показания акустических измерительных устройств существенно зависят от места возникновения разрядов, условий прохождения сигналов и от затухания их в элементах изоляционной конструкции. Поэтому акустические методы контроля в настоящее время могут использоваться лишь для обнаружения наличия частичных разрядов. Основная область применения этих методов - определение места возникновения разрядов в оборудовании (в основном в трансформаторах).
Основным источником помех при применении электрических методов измерений ЧР являются разряды короны на шинах и оборудовании. Импульсы этих разрядов имеют высокую интенсивность. Исключение таких помех из результатов измерений связано с большими трудностями.
При акустических методах индикации ЧР основными источниками помех являются шумы системы циркуляции и охлаждения масла трансформатора, а также магнитострикция его сердечника. Влияние этих помех можно достаточно просто снизить. При контроле другого оборудования акустические помехи незначительны. Поэтому применение акустических методов контроля не ограничивается помехами так сильно, как при электрических методах, что является их серьезным преимуществом.
Описание акустических методов обнаружения ЧР будет дано в § 4.5. В остальных параграфах этой главы рассматриваются вопросы, относящиеся к электрическим методам измерений.
Измерение ЧР в оборудовании может производиться без его отключения, под рабочим напряжением. Это используется в большинстве методов эксплуатационного контроля.
Однако, как будет показано дальше, чувствительность этих методов часто ограничивается уровнем неустранимых помех. В ряде случаев возникает необходимость контрольной проверки оборудования на отсутствие ЧР малой интенсивности. Это может быть реализовано путем специальных испытаний выведенного из работы оборудования на месте его установки с принятием дополнительных мер по технике безопасности.
