Частичный разряд представляет собой электрический разряд, который происходит на небольшом участке изоляции, где напряжённость электрического поля превышает прочность по пробою материала. Он может произойти в пустотах в пределах твёрдой изоляции, по поверхности изолирующего материала, внутри газовых пузырьков в жидкой изоляции.
Причины возникновения частичных разрядов
По определению, принятому международными стандартами, частичным разрядом называется электрический разряд, локально шунтирующий изоляцию на отдельном участке конструкции.
Этот процесс возникает вследствие ионизации газа или жидкого диэлектрика и может происходить на поверхности раздела двух сред и внутри изоляции. Возникновение и развитие зависит от типа диэлектрика и конструктивных особенностей изоляции объекта. Частичные разряды в изоляции являются следствием наличия неоднородностей в структуре диэлектрика и характеристик воздействующего на неё напряжения. Такими неоднородностями могут быть различные посторонние примеси и загрязнения, газовые полости, зоны увлажнения. Подобные дефекты образуются в структуре изоляции, как правило, в результате нарушения процесса ее изготовления и при эксплуатации оборудования (под влиянием механических воздействий, деформации, вибрации).
Что такое триинги и их образование в структуре изолирующего материала
В изоляционном материале из присутствующей в нём полости образуется древовидная структура – триинг. В ветвях триингов развиваются частичные разряды. Под действием электрического поля и разрядов, триинги увеличиваются в размерах и количестве, тем самым повышая степень деградации полимерного материала. Дендриты имеют повышенную проводимость и приводят к прогрессирующему разрушению диэлектрика.
Поскольку для возникновения частичного разряда в газовой среде требуется напряжение более низкое, чем для какого же эффекта в жидкости или в твёрдом постороннем включении, то наличие таких дефектов в изоляции может стать наиболее вероятной причиной начала разрушения этого материала. Это происходит в результате того, что в полости, заполненной газом напряжённость электрического поля выше, чем в твердом или жидком участке и электрическая прочность газовой среды имеет более низкое значение, чем другие фракции изоляции.
Виды триингов
Триинги электрического происхождения образуются при воздействии переменного и импульсного напряжения, а также при очень высоких его значениях. В процессе работы оборудования эти величины не вызывают немедленного пробоя изоляции, но могут спровоцировать ионизацию газа в неоднородностях. Если в структуре материала нет достаточно больших по размеру полостей, дендриты могут развиваться сравнительно продолжительное время.
Наличие пузырьков увеличенных размеров приводит к возникновению частичных разрядов при работе кабеля на номинальном напряжении.
Водные триинги образуются при попадании влаги внутрь изоляции в результате диффузии или через микротрещины в материале.
При конденсации влаги во включениях, здесь образуются дендриты, после чего начинается их интенсивное образование и рост за счёт появления дополнительных пустот. Это приводит к снижению электрической прочности диэлектрика и к пробою кабеля.
К основным причинам деградации изоляции относятся как электрическое старение из-за частичных разрядов, протекающих во включениях при перенапряжении и в номинальном рабочем режиме, так и тепловое старение материала.
Под воздействием частичных разрядов запускается процесс разрушения изоляции, размер поражённой области увеличивается.
Условия возникновения частичных разрядов зависят от формы электромагнитного поля изоляционной конструкции и электрических свойств конкретной зоны материала.
Частичные разряды обычно не приводят к сквозному пробою изоляции, однако являются причиной изменений структуры диэлектрика, а при достаточно продолжительной эксплуатации системы могут стать причиной сквозного пробоя изоляционного слоя. Их возникновение всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. Характеристики частичных разрядов достаточно хорошо позволяют судить о степени дефектности изоляционной конструкции.
Наибольшую опасность они представляют при работе оборудования на переменном и импульсном напряжении.
Физические явления, сопровождающие частичные разряды в изоляции
Перегрев изоляции ведёт к ускорению процесса её разрушения за счёт увеличения количества точек, в которых появляются новые дефекты, ведущие к увеличению количества и объёма дендритов. Это приводит к возрастанию напряжённости в поля этом районе.
Частичный электрический разряд оказывает на изоляцию тепловое воздействие, а также разрушает её заряженными частицами и химически активными продуктами, образующимися в результате разряда.
Кроме того, частичные разряды вызывают возникновение токов импульсного характера в создающихся ими каналах. При пробое всё это сопровождается электромагнитным излучением, ударными волнами, световыми вспышками и распадом изоляции на молекулярном уровне.
Частичные разряды относятся к основным причинам повреждения оборудования высокого напряжения. Объясняется это тем, что появление частичных разрядов является начальной стадией развития большинства дефектов в высоковольтной изоляции.
В результате этих процессов создаются условия для возникновения пробоя изоляции.
Стадии разрядов
При превышении определённого порогового значения напряжения, установленного для конкретного изоляционного материала, в нём могут инициироваться частичные разряды, которые не приводят к немедленному прогоранию изоляции, поэтому могут быть вполне допустимы. Они получили название - начальные.
Дальнейшее поднятие напряжения, увеличение размеров и количества включений, числа триингов в процессе продолжительной работы оборудования, приводит к резкому возрастанию интенсивности частичных разрядов. Их возникновение резко сокращает срок годности изоляции и может привести к её пробою. Такие разряды называются критическими.
Влияние разрядов в структуре на оборудование
Одним из основных элементов конструкции трансформаторов и электрических машин является изоляция обмоток. Она непрерывно подвержена таким разрушающим факторам, как: тепловые воздействия вследствие длительного протекания токов; вибрационные нагрузки из-за работы магнитопровода (для трансформаторов) и приводного механизма (для электрических машин); последствия протекания пусковых токов и токов короткого замыкания.
Все эти факторы приводят к повреждению изоляции и возникновению частичных разрядов. Для электрических машин это является наиболее частой причиной отказа, а для трансформаторов выход из строя в результате повреждения изоляции обмоток стоит на втором месте после повреждения вводов.
Для чего необходимо измерение разрядов
Измерение процессов, происходящих при возникновении частичных разрядов необходимо для получения возможности предотвращения пробоя изоляции и максимального снижения их интенсивности в изолирующих материалах.
В связи с использованием изоляции из сшитого полиэтилена в конструкциях силовых кабелей, электроэнергетического оборудования, высоковольтных трансформаторов, воздушных линий электропередачи, необходимо постоянно вести контроль частичных разрядов, влияющих на безопасность их эксплуатации.
Профилактика пробоев изоляции и методы испытаний
Необходимо проводить проверки состояния изолирующего материала в процессе эксплуатации, чтобы выявлять развивающиеся разрушения и предотвращать аварийные отказы из-за частичных разрядов на оборудовании.
Для контроля степени дефектности изоляции высоковольтного оборудования существуют:
- Испытания повышенным напряжением, равноценным по величине его возможному увеличению во время работы. Это необходимо для установления значений электрической прочности изоляции при кратковременных повышениях напряжения.
- Неразрушающие методы испытаний для определения ресурса времени её эксплуатации.
Это дает возможность провести достоверную диагностику на работающем оборудовании, без вывода техники из эксплуатации, а, значит, исключение экономических потерь.
Существующие методы диагностики частичных разрядов позволяют обнаружить дефект на ранних стадиях его развития и, тем самым, предотвратить дорогостоящий ремонт или замену вышедшего из строя оборудования.
Некоторые методы позволяют локализовать область дефекта, и подлежать ремонту будут только повреждённые участки изоляции.
При испытаниях оборудования высоким напряжением, качество изоляции ухудшается в результате воздействия напряжений в несколько раз превосходящих рабочие значения.
Диагностические методы обнаружения частичного разряда позволяют наиболее точно оценивать степень остаточной работоспособности оборудования без оказания разрушающего действия на его изоляцию. Диагностика частичных разрядов при эксплуатации затрудняется тем, что обычно вокруг проверяемого объекта находится другое оборудование, которое является источником помех. Эти сигналы могут не отличаться по параметрам от сигналов нужного объекта, так как могут быть тоже частичными разрядами.
Поэтому, для разделения сигналов помех и измеряемого частичного разряда, нужно сначала измерить сигналы помех при отключенном напряжении на тестируемом объекте, а потом произвести замер на нём в рабочем режиме.
В этом случае будет регистрироваться сумма сигналов частичного разряда и фона.
Разность результатов этих измерений покажет значение сигнала частичного разряда.
Полученные характеристики позволяют оценить характер дефектов и самого разряда.
Метод частичных разрядов не наносит вреда изоляции и широко используется, поскольку в процессе проверки не используется повышенное напряжение, отрицательно влияющее на изоляцию.
Электрический метод разрядов
Метод требует наличие контакта измерительных приборов с изоляцией.
Он позволяет определять большое количество характеристик частичного разряда.
Это наиболее точный из всех методов измерения частичных разрядов.
Акустический метод регистрации
Этот метод основан на использовании микрофонов, принимающих звуковые сигналы работающего оборудования.
Датчики устанавливаются в комплексных распределительных устройствах и другом электроэнергетическом оборудовании и работают дистанционно.
Недостаток: частичные разряды небольшой величины не фиксируются.
Электромагнитный или дистанционный метод
Обнаружение частичных разрядов при использовании метода сверхвысоких частот является простым и эффективным процессом. Для этого применяется антенное устройство направленного действия.
Недостаток этого метода – невозможность измерения величин разрядов.
Специфика разрядов в трансформаторах
Мощные силовые трансформаторы являются частями энергосистем, и вблизи них установлено высоковольтное оборудование, в котором могут существовать частичные разряды. Сигналы от них различными путями поступают на контролируемый трансформатор.
Если к трансформатору подключены воздушные линии электропередачи, подвергающиеся грозовым разрядам, то сигналы от них будут регистрироваться при измерении характеристик частичного разряда в изоляции трансформатора.
При нахождении трансформатора на открытой подстанции, на его наружных токоведущих частях периодически, в зависимости от температуры, влажности и других факторов, возникают коронные разряды.
Изменение нагрузки и наличие в трансформаторах устройств, регулирующих их параметры во время работы, например, устройств, регулирующих работу под нагрузкой, приводит к изменению характеристик частичных разрядов, которые могут снижаться или увеличиваться.
Все перечисленные факторы приводят к тому, что многие измерения на трансформаторах могут показывать искажённую картину состояния изоляции.
На показания, снятые с испытуемого трансформатора будут накладываться импульсы помех от работы находящегося рядом оборудования.
В таких случаях нужно использовать правильно подобранную методику измерений, чтобы исключить влияние помех на полученные данные по частичным разрядам в трансформаторах.
