10.8. Измерение частичных разрядов
Приборы и устройства высокого напряжения после их изготовления подвергаются разнообразным испытаниям с целью определить их качество, оценить не только функциональные возможности, но и стабильность характеристик во времени или срок жизни. В рамках этих испытаний независимо от специфики функционирования прибора, например от погрешностей трансформатора, напряжения или номинальной мощности трансформатора, необходимо осуществлять измерения в целях получения данных о качестве и свойствах электрической изоляции. Кратковременные перенапряжения при различных испытательных напряжениях (см. гл. 9) являются лишь частью контроля качества. Они в экстремальных случаях приводят к разрушению изоляции, после чего требуется ее ремонт. Поэтому особое значение приобретают так называемые неразрушающие методы электрических испытаний, во время которых заблаговременно устанавливаются слабые места в изоляции.
Методы электрических измерений такого рода заключаются в определении сопротивления изоляции при воздействии на нее постоянного напряжения, измерении tgδ и емкости С изоляции, а также так называемых ЧР. Так как проблемы измерения очень высоких сопротивлений или очень малых постоянных токов общеизвестны, а проблемы измерения tgδ и С на промышленной частоте изложены в литературе, например в [10.24], то остановимся лишь на методах обнаружения ЧР. Эти методы в последние годы приобрели особое значение и стали по существу комплексными измерениями, однако часто еще они вызывают недоразумения: даже в специальной литературе нередко встречаются ошибки или неточная информация о них. Поэтому рассмотрим только основные принципы измерений, так как частные проблемы, связанные с ними, весьма разнообразны и в достаточно общем виде их трудно анализировать [10.103].
Частичные разряды в изоляционных веществах, или предельно локализованные импульсы энергии, фиксируют не только путем электрических измерений.
Мощные ЧР можно обнаружить по эффектам, связанным с преобразованием энергии, таким, как излучение света или электромагнитных волн, акустический шум, протекание химических реакций. Если излучение света используется для обнаружения места ЧР лишь при прозрачных средах, то акустические методы успешно используются в таких устройствах, как трансформаторы [10.95], в сочетании с методами электрических измерений. Впрочем, и химические изменения изоляционного материала, вызванные ЧР, могут быть установлены в случае приемлемых затрат совершенно другими методами физических измерений. Важнейшим из них является хроматография газа, выделяющегося при разложении изоляционного масла [10.105, 10.106].
Общие проблемы измерения частичных разрядов
В любой изоляционной системе могут появиться локальные повышения напряженности электрического поля, которые при определенном значении напряжения приводят к электрическим разрядам, протекающим предельно быстро внутри изоляции. Локальные повышения напряженности возникают либо из-за неоднородности распределения электрического поля с учетом разности диэлектрических проницаемостей отдельных материалов сложных изоляционных систем, либо вследствие наличия слабых мест с малой электрической прочностью индивидуальных компонентов изоляции.
Частичные разряды или пробои приводят в момент их появления, по крайней мере, к потерям энергии. Поэтому уже в течение более 50 лет пытаются зафиксировать появление таких «ионизационных явлений» путем измерения tg δ в зависимости от приложенного к изоляции напряжения, при этом предполагается, что сильному возрастанию tg δ (ионизационному излому) соответствует появление ЧР. Такая нелинейность зависимости tg δ, однако, часто не очень отчетливо выражена, поскольку сами диэлектрические потери могут оказаться зависящими от напряженности поля (см. [8.69, 10.74]).
Отдельные слабые места с ЧР остаются не обнаруженными также при большом объеме диэлектрика, так как дополнительные потери, вызванные ЧР, могут оказаться небольшими по сравнению с общими потерями во всем объеме изоляции. Несмотря на это, в начале исследований ЧР использовали мосты Шеринга или мосты для измерения tg δ и С в частично модифицированном виде [10.75, 10.76].
Высокая чувствительность при регистрации ЧР достижима лишь в том случае, если учесть кратковременность вызванных ими изменений токов и напряжений, при этом появится возможность отфильтровать их от стационарных или квазистационарных напряжений и токов. Это становится понятным, если ясны физические причины появления ЧР и влияние этих процессов на разрядный контур, а также возможное воздействие на контур внешних факторов, помех, которые определяют границы способа регистрации. В настоящее время остаются невыясненными вопросы, связанные с количественными зависимостями измеренной интенсивности ЧР и срока жизни изоляции. Ясно лишь, что разряды одинаковой интенсивности в различных изоляционных материалах приводят к неодинаковым повреждениям, так как неодинакова химическая структура различных материалов.
Токи частичных разрядов
Понятие частичных разрядов в настоящее время включает в себя большое число разрядных явлений, таких, как:
коронные разряды с остриев, краев электродов или цилиндрических проводов в газах, например в воздухе (см. § 7.6), или в жидкой изоляции;
поверхностные или скользящие разряды на границе различных изоляционных материалов, например на границе газ — твердое вещество (см. § 7.9);
разряды в газовых включениях в твердых и жидких материалах. Газовое включение может быть как внутри изоляции, так и у электрода (см. 8.2.2).
разряды в твердом теле, структура которого уже разрушена предшествующими ЧР (см. п. 8.2.2).
Если эти процессы происходят внутри закрытого устройства, то говорят о внутренних ЧР, которые даже в чисто газовой изоляции вызывают разложение газа во времени и могут привести к нарушению электрической прочности изоляции. Совершенно очевидно, что физические процессы и развитие разрядов во времени зависят от вида изоляции и конструкции изоляционной системы. В любом случае в ослабленном месте быстро происходит разделение электрических зарядов, которые возникают, как правило, в результате ионизационных процессов. Если заряды движутся в поле между электродами, то при постоянной разности потенциалов между электродами возникает ток. Этот ток хорошо регистрируется в том случае, если изоляционный материал находится между электродами, к которым подключен источник напряжения с малым внутренним сопротивлением. Изменение во времени тока может служить хорошим отображением физических процессов развития частичного разряда.
В качестве примера таких токов на рис. 10.45 приведены так называемые импульсы Тричела (см. 7.6.1.2) при ЧР в воздухе. Быстрое нарастание тока ранее вызывало определенные трудности в ходе измерений [10.83, 10.84, 7.38], а с появлением широкополосных осциллографов с предельно высокой скоростью записи эти трудности были преодолены. В приведенном примере используется подобный осциллограф с полосой пропускания 1000 мГц, и с его помощью фиксируется нарастание тока (1 нс).
За быстрым нарастанием тока следует его спад, заканчивающийся спустя 60 нс. Однако при еще большей чувствительности можно было бы установить и более длительные слабые токи, вызванные дрейфом отрицательных ионов.
Рис. 10.45. Импульсы Тричела в системе электрод — игла длиной 40 мм, диаметром 0,7 мм и коническим острием с радиусом не более 0,1 мм в атмосферном воздухе при давлении 96 кПа, температуре 24 °C и относительной влажности 60 % (средняя напряженность поля Е=2 кВ/см, амплитуда импульсов примерно 1 мА):
а—в — осциллограммы тока при разных скоростях развертки; г — схема измерений
При достаточно большой емкости, включенной параллельно электродам (6 нФ), такие измерения показали, что форма импульса тока не зависит от параметров разрядного контура, т. е. в этом случае можно говорить о воздействии на промежуток источника напряжения. Каждый импульс сопровождается переносом заряда 20-10-12 Кл. При медленной развертке (рис. 10.45,в) видно, что импульсы при постоянном напряжении регулярно повторяются. Быстрое нарастание тока объясняется образованием критических лавин непосредственно вблизи острия, положительные ионы которых сравнительно быстро достигают анода (острия), а электроны дрейфуют в область слабого поля, где быстро прилипают к электроотрицательным молекулам кислорода. Как показывают оценки подвижностей носителей заряда, импульс тока в основном создается электронами и положительными ионами.
Еще более короткие импульсы регистрируются в компактных электродных системах с твердым диэлектриком, в котором имеются мелкие газообразные включения. В этом случае при достаточно высокой напряженности поля, обусловленной разностью диэлектрических проницаемостей твердого вещества и газа в газовом включении, возникает разряд. Так как разряд длится примерно 1 нс, а носители заряда могут дрейфовать лишь на небольшом участке, равном размеру включения, то процесс быстро заканчивается. Измеренные импульсы тока таких разрядов имеют длительность несколько наносекунд, что характеризует не столько сам процесс ЧР, сколько ограниченную полосу пропускания измерительной системы и поля рассеяния. Примеры таких регистраций можно найти в [10.77, 10.79].
Существенно сложнее изменяются во времени ток ЧР в технических устройствах и приборах, внутри которых электродная система образует комплексную электрическую схему. Типичными примерами этого являются системы обмоток силового или измерительного трансформатора или реактора. В этих устройствах ЧР могут возникать в области обмотки при воздействии как полного потенциала, так и разности потенциалов между витками, вблизи выводов и даже заземленных структур, если там достаточно высока напряженность поля. Переходные токи, вызванные ЧР, должны проходить по обмотке в виде волны, прежде чем попасть на измерительные клеммы. Импульсы такого рода имеют форму, определяемую резонансными явлениями. В то время как временные диапазоны таких токов до настоящего времени практически не изучены, их комплексность уверенно подтверждается опубликованными спектрами токов ЧР (см. 10.8.4.2 и [10.102]).
Для рассматриваемой далее техники измерений ЧР наиболее важными являются разряды с существенно большей длительностью. В жидкой изоляции разрядные импульсы могут продолжаться несколько микросекунд [10.80, 10.81]. При определенных условиях разряды в газовых включениях происходят и не только в форме импульсов [10.78, 10.85].
Дорогостоящая техника измерения токов ЧР, многообразие методик подсчета импульсов, а также трудности регистрации повторяющихся с большой частотой ЧР при переменном напряжении (см. рис. 10.47,в) приводят к тому, что непосредственно измерять токи ЧР на практике не удается. Предпочтительным является измерение переносимого этими токами заряда [10.82], который как интегральную величину измерить проще. Ток ЧР характеризуется количеством электричества, называемым кажущимся зарядом. Почему используется это выражение, ясно из схемы замещения, с помощью которой объясняются процессы частичных ЧР.
10.8.4. Методы измерения частичных разрядов
Прежде чем рассматривать важнейшие методы измерений кажущегося заряда, следует остановиться на технических трудностях измерения ЧР в промышленных установках.
Из изложенного ранее вытекает, что обнаружить ЧР в объекте можно по кратковременному снижению напряжения, которое приводит к такому же короткому импульсу тока i(t), если параллельно объекту включен конденсатор Ck, способный обеспечить заряд для этого импульса тока (рис. 10.48). Оба элемента (объект и конденсатор Ck) вместе с другими элементами изображены на рис. 10.48, где приведена схема испытаний, типичная для лабораторий высокого напряжения или испытательных стендов в заводских условиях. Частичные разряды измеряют, как правило, при испытаниях переменным напряжением, так как образованные носители зарядов осаждаются на стенках включения и компенсируют напряженность электрического поля во включении. Последующий ЧР возможен лишь тогда, когда напряженность поля в изоляционном материале, окружающем включение, изменится.
Таким образом, источником напряжения является, как правило, испытательный трансформатор низкой частоты, подключенный к испытуемому объекту. В принципе он обеспечивает ток промышленной частоты (низкочастотный ток смещения через Сk и испытуемый объект), что вызывает существенные помехи при измерениях малых токов ЧР, так как токи смещения в зависимости от емкости объекта могут достигать нескольких ампер. Сам источник напряжения должен быть свободным от ЧР, особенно при отсутствии фильтра 4. В схеме необходим регулятор напряжения 2, например автотрансформатор или генератор, служащий для установки требуемого выходного напряжения. Так как этот источник работает обычно при низком напряжении, то возможно возникновение высокочастотных помех в контактной системе автотрансформатора, коллекторе или щетках генератора, которые поступают на первичную обмотку испытательного трансформатора и трансформируются на сторону высокого напряжения. Питающая силовая сеть 1 и сеть питания измерительного прибора 11 также являются источниками помех, особенно в настоящее время, поскольку широкое использование силовой электроники для регулирования напряжения электроприводов ведет к возрастанию высших гармоник в питающем напряжении или периодическим импульсным помехам.
Рис. 10.48. Источники помех в испытательном и измерительном контурах: 1, 11 — источники питания; 2 — регулятор напряжения; 3 — источник высокого напряжения; 5 — соединительные провода на стороне высокого напряжения и экраны; 6 — конденсатор связи; 7 — проводящие предметы, находящиеся в сильном поле; 8 — внешние импульсные помехи; 9— электромагнитные волны; 10 — объект; 12 — токи в заземляющих проводах детектора частичных разрядов; 13 — прибор для измерения ЧР
Импульсные или высокочастотные гармонические помехи можно устранить с помощью фильтра 4, если не используются специальные приборы для измерения ЧР (см. 10.8.4.3). Технически неправильно выполненный фильтр, как и соединительные провода на стороне высокого напряжения и электрода 5, могут привести к слишком сильным «внешним» ЧР, если не учитывать форму проводов и фильтра, находящихся под высоким потенциалом. Их форма должна задавать требуемое распределение поля, а поверхность должна быть предельно гладкой и не иметь остриев, которые при большой площади электродов вызвали бы появление разрядов в воздухе. Импульсы Тричела, показанные на рис. 10.45 и неизбежно возникающие при подъеме напряжения вблизи его максимума в отрицательный полупериод, если электроды имеют хотя бы в отдельных местах острые кромки, могут служить очень чувствительным индикатором неквалифицированного выполнения схемы. Естественно, конденсатор связи 6 также должен быть выполнен свободным от ЧР. Источник помех 7 означает металлические детали и предметы, которые часто по неосторожности оставляют в лаборатории. Если они изолированы от земли, то в переменном поле могут приобретать потенциал. Высокая напряженность поля у их поверхности, а также слабая изоляция относительно других деталей или предметов вызывают появление разрядов. Такие помехи воздействуют на измерительный контур и могут исходить из ближайших проводов низкого напряжения за счет электрической, магнитной или электромагнитной паразитной связи при коммутационных процессах. Очень неприятны электромагнитные помехи 9, которые непрерывно излучаются радиостанциями прежде всего в диапазонах длинных и средних волн. Часто из-за очень сильных полей помех необходимо электромагнитное экранирование лабораторий, а также использование клеток Фарадея и экранированных измерительных кабин.
Наконец, на рис. 10.48 изображен еще один источник помех 10, связанный с заземляющими проводами измерительного прибора и существующий независимо от специфики самого прибора и взаимодействия его элементов с измерительным контуром. Наличие этого источника отображает влияние индуктированных токов помех в оболочках измерительных кабелей или электронных схемах прибора, что должно учитываться при дальнейшем совершенствовании приборов (см. также п. 10.7.3).
Влияние всех помех можно разделить на две категории. К первой категории относятся все непрерывно меняющиеся во времени помехи с частотой питающей сети и учетом высших гармоник, а также радиопомехи. Все остальные помехи, возникающие стохастически, носят импульсный характер и относятся ко второй категории. Принципиально методы измерений ЧР должны учитывать все помехи, причем разные методы отличаются и разными возможностями подавления помех.
10.8.5. Способы подавления помех
На рис. 10.48 условно показаны различные источники помех, которые затрудняют измерения ЧР в испытуемом объекте. Допустимый уровень кажущегося заряда согласно нормам может быть очень низким. Например, для кабелей высокого напряжения он составляет 5 пКл. Уровень, обусловленный помехами, не должен превышать 50% нормированного уровня ЧР.
Методы подавления помех основаны, как уже упоминалось, на соответствующем обеспечении места испытаний (электромагнитное экранирование), выборе специального источника испытательного напряжения (отсутствие в нем ЧР, питание с использованием фильтров), а также на таком выполнении всей схемы высокого напряжения, чтобы в ней не было ЧР. Эти идеальные условия часто не выполняются или требуют больших затрат. Поэтому возникает задача предпринять дополнительные меры по подавлению помех путем использования соответствующих схем или применения специальных приборов для измерений, если встроенных в приборы фильтров недостаточно. Действие фильтров, приборов, описанных в 10.8.4.2 и 10.8.4.3, ограничено исключительно подавлением влияния гармонических токов в испытательной цепи, пока их частота далека от требуемой частоты для интегрирования тока ЧР. Импульсные токи помех обладают широким спектром (как и спектр ЧР), и поэтому трудно от них избавиться.
Рассмотрим применяемые в настоящее время важнейшие способы подавления помех с помощью схем и специальных приборов.
10.8.5.1. Схема моста Шеринга.
Вместо рассмотренного в 10.8.4.1 емкостного моста с непосредственным интегрированием Арман и Старр [10.75] уже давно используют мост Шеринга для измерения ЧР, а Кройгер [10.98] этот метод широко внедрил на практике.
На рис. 10.66,а изображена схема, построенная по тому же принципу, что и схема на рис. 10.52, но в более удобном виде. Собственно мост, заключенный в штриховой рамке, состоит из декад сопротивлений с плавной бесступенчатой регулировкой Ga и Св, переменного конденсатора С, подключенного к декадам сопротивлений, высокочастотного трансформатора, с помощью которого напряжение диагонали моста подается к измерительному прибору, как правило, — к широкополосному резонансному усилителю.
Рис. 10.66. Принципиальная схема моста Шеринга с подавлением помех (а) и его упрощенная схема замещения (б): 1 — детектор
Токи, проходящие через Ck и Ct и коаксиальные кабели К1\ и К2, создают на сопротивлениях Ga и Gb (предпочтительно активных) падения напряжения. Эти сопротивления должны быть рассчитаны на сравнительно большие токи (5—10 А), вызванные испытательным напряжением. Коаксиальные кабели не согласованы, так как сопротивления моста меняются в диапазоне от 1 до 3 кОм. Поэтому кратковременные токи ЧР содержат высокочастотные составляющие, обусловленные отражением сигналов на концах кабелей. Детектор интегрирует диагональное напряжение моста.
В уравновешенном состоянии мост подавляет гармонические и импульсные синфазные напряжения U(t). На рис. 10.66,6 показана приближенная схема замещения моста Шеринга. В качестве С/е и Ct в этой схеме представлены емкости С\ и С2, последовательно соединенные с сопротивлениями R1 и R2, отображающими потери в Ck и Ct. Емкости С3 и С4, подключенные параллельно сопротивлениям моста R3 и R4 должны приближенно учитывать также емкости кабелей. Следует иметь в виду, что такая схема замещения применяется лишь при частотах от 50 до 500 кГц, поэтому при интегрировании ЧР с большими частотами не учитываются.
В уравнений (10.112) специально выделены tgδ в виде отдельных членов, так как из-за фактических частотных зависимостей R1 и R2 диэлектрические потери нельзя описать простой зависимостью aRC. Следует иметь в виду, что tg δ диэлектрических материалов конденсаторов может иметь любую зависимость от частоты, а сопротивления R1 и R2 также зависят от частоты.
Условие равновесия моста справедливо лишь при определенных предположениях.
Случай (tg δ)1= (tg δ)2. Предполагается, что tg δ конденсатора Ck и объекта Ct одинаковы или одинаково зависят от частоты. В обоих случаях условия равновесия выполняются при любой частоте, если
(10.114)
Эти условия выполняются при трех переменных элементах моста (рис. 10.66,а), так как если одинаковы длины кабелей K1 и K2, емкости С3 и С4 можно считать заданными, и для уравновешивания моста достаточно емкости С, подключенной к обоим плечам моста.
На практике это означает, что объект и конденсатор связи должны иметь изоляцию с одинаковыми диэлектрическими свойствами. Их емкости могут быть неодинаковыми.
Лишь в особых случаях, например при испытаниях конденсаторов высокого напряжения, можно использовать одинаковые или подобные объект и конденсатор связи, однако последний должен быть свободным от ЧР.
Случай
. Из (10.112) и (10.113) нельзя вывести условия равновесия, не зависящие от частоты. Комбинация этих уравнений позволяет записать
Это выражение при соответствующем выборе Т3 и Т4, по крайней мере при низких частотах (промышленной или более высокой), имеет решение. Так как мост должен быть уравновешен отнюдь не на промышленной частоте, поскольку детектор ЧР на низкой частоте нечувствителен как квазиинтегратор, то необходимо добиться предельного уравновешивания на средней частоте усилителя детектора.
Узкополосный детектор рекомендуется использовать совместно с мостовой схемой [10.99]. Однако в этом случае подавление помех остается ограниченным.
Естественно, эти рассуждения несовершенны, так как схема замещения объекта сильно упрощена, и на высоких частотах
сказываются конструктивные особенности выполнения сопротивлений моста Ζ3 и Ζ4. Декадные сопротивления обладают конечными индуктивностями, влияние которых становится заметным при частотах более 1 МГц. Наличие кабелей приводит к искажению и запаздыванию импульсов. Поскольку диагональное напряжение преобразуется с помощью трансформатора с ограниченной полосой пропускания, то интегрирование сигнала должно осуществляться на сравнительно невысокой частоте (не более 100 кГц). Учитывая сказанное, можно приблизительно сформулировать рекомендации по изготовлению приборов с подавлением синфазных помех: уровень подавления 1:103 обеспечивается лишь при компактных и идентичных конденсаторах Ck и Ct, что вытекает непосредственно из теоретического анализа. Практически достижимы уровни подавления помех от 1 : 50 до 1:500.
Токи ЧР в объекте обычно проходят в ветвях моста в разных направлениях. Так как значения сопротивлений GA и GB зависят от равновесия моста, а эффективное сопротивление связи в диагонали моста является величиной переменной, то калибровка моста должна проводиться после его уравновешивания. Эффект изменения полярности импульса ЧР в испытательной схеме является вспомогательным средством для предварительного установления места его появления [10.107].
Система дискриминации импульсов.
При воздействии на схему импульсных помех можно использовать системы дискриминации импульсов, появившиеся в последние годы [10.100]. Как уже отмечалось, разряды в объекте Ct или конденсаторе связи Ck вызывают импульсы противоположных полярностей, а все помехи, поступающие на элементы, находящиеся под высоким потенциалом, вызывают синфазные сигналы. Если снимать сигналы относительно земли, приходящие от Ck и Ct, через одинаковые RLС-четырехполюсники связи (см. рис. 10.57) с усилителем, то по полярности реакции на импульс этих четырехполюсников можно установить с помощью специального логического устройства, вызван импульс ЧР или помехой. В принципе такое устройство представляет собой коммутатор, пропускающий для измерения и обработки лишь импульсы, вызванные ЧР, возникшими в объекте. Естественно, при этом измеряемые сигналы подводятся к коммутатору с запаздыванием. Современные быстродействующие электронные и логические устройства функционируют с запаздыванием менее 1 мкс. Эффективность подавления помех определяется исключительно отношением подавляемого сигнала помехи к неподавляемому полезному сигналу. Это отношение может быть любым, если логическое устройство обеспечивает распознание помехи.
Однако практически неразличимы одновременно возникающие частичный импульс и импульс помехи, так как идентификация импульсов нарушается. Гармонические непрерывные помехи с частотой, лежащей в диапазоне пропускания сопротивлений связи, не удается подавить с помощью только таких логических устройств. Поэтому выпускаемые приборы снабжаются еще и дополнительными схемами, устраняющими этот недостаток.
Так как полезный сигнал и помеха воспринимаются одинаковыми четырехполюсниками связи, а любое электронное устройство имеет динамические ограничения по параметрам сигналов, то ограниченной оказывается и возможность подавления помех. Однако не исключено выделение сигнала ЧР, составляющего примерно 1 % уровня помехи, как и в рассмотренных ранее мостовых схемах. Однако преимущество систем с дискриминацией импульсов заключается, несомненно, в том, что в этих системах не предъявляется жестких требований к качеству выполнения конденсатора связи.
Другие схемные мероприятия.
Помехи часто коррелируются с частотой испытательного напряжения. Например, они могут быть вызваны плохими контактами на стороне высокого напряжения или переходами тока через нуль в выключателе. В этом случае помехи представляют собой низкочастотные токи, периодические пульсирующие токи или внешние ЧР в воздухе в момент, близкий к моменту максимума испытательного напряжения. Чтобы такие помехи отделить от внутренних ЧР в объекте, с помощью электронных схем периодически прекращают их измерение на время возникновения ЧР. Это «окно» синхронизируют по фазе с испытательным напряжением и устанавливают его требуемую продолжительность. Естественно, возникшие ЧР во время «окна» не регистрируются.
Сильные импульсные помехи вблизи испытательного контура можно обнаружить с помощью антенны. После соответствующего усиления сигнал с антенны подается на систему запирания интегрирующей ступени детектора ЧР в течение заданного времени (несколько микросекунд). В этом случае «окно» автоматически возникает с появлением помехи [10.101]. Положение и связь антенны с испытательным контуром должны быть тщательно выбраны, чтобы не повлиять на поля, вызывающие исследуемые ЧР.
