СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
METHOD FOR HIGH-VOLTAGE INSULATION DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам испытания твердых изоляционных материалов, и может быть использовано для прогнозирования срока службы или ресурса высоковольтной изоляции.
Хорошо известен способ диагностики высоковольтной изоляции (Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков. Л.: Энергия, 1968), заключающийся в проведении ресурсных испытаний реальных изоляционных изделий и расчете времени до пробоя по формуле:
пр
-m
τ=B·E,
где Е - напряженность электрического поля; В и m - эмпирические коэффициенты, определяемые для каждого изоляционного материала по результатам ресурсных испытаний реальных изоляционных изделий.
пр
пр
Однако реализация данного способа возможна только в том случае, если экспериментальные значения τ при разных Е укладываются на прямую линию в двойных логарифмических координатах lg τ=f(lg Е), что не всегда выполняется на практике, особенно для полимерных диэлектриков, которые имеют нелинейную зависимость основных электрофизических характеристик (удельное объемное и поверхностное сопротивления, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь) от напряженности электрического поля. Кроме того, для реализации данного способа предварительно необходимо экспериментально определить значения коэффициентов В и m при различных Е. Данная процедура также требует проведения высоковольтных испытаний реальных изоляционных изделий при заданных значениях рабочей напряженности электрического поля Е. Это связано со значительными затратами времени и материальных ресурсов, так как в результате высоковольтных испытаний необходимо пробить достаточно большое количество реальных изоляционных изделий. Последнее особенно важно при определении срока службы или времени до пробоя уникальных дорогостоящих изоляционных изделий. Еще одним существенным недостатком данного способа является то, что он позволяет определить только среднее значение времени до пробоя для данной выборки образцов изоляции с разбросом, определяемым объемом выборки или уровнем доверительной вероятности.
пр
пр
l
l
м
cpl
м
cpl
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ диагностики полимерной высоковольтной изоляции (Гефле О.С, Ушаков В.Я. Метод определения "кривых жизни" монолитной полимерной изоляции, Электричество, №8, с.65-67, 1985), заключающийся в том, что к испытуемым образцам изоляции через систему электродов острие-плоскость поочередно прикладывают высокое напряжение и регистрируют длину образующегося в изоляции дендрита l, после чего отключают высокое напряжение, а время до пробоя изоляции τ определяют путем экстраполяции зависимости lg τ=f(lg K) до пересечения с осью ординат, где К=E/E - коэффициент неоднородности локального электрического поля на длине дендрита, формирующегося в изоляции под действием приложенного напряжения; Е - максимальная напряженность электрического поля на конце острия; E - средняя напряженность электрического поля, достаточная для пробоя локального участка изоляции (на длине дендрита):
l
где r - радиус закругления острия; Е - напряженность поля в точке, в которой прекращается развитие дендрита:
Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются следующие.
пр
l
l
l
пр
l
l
пр
Для построения зависимости lg τ=f(lg K) и последующей экстраполяции ее до пересечения с осью ординат, т.е. в область К→1 (что соответствует однородному полю), возникает неопределенность, связанная с тем, что на практике для систем с квазиоднородным или однородным полем (при l≤K<1,3) невозможно получить точные экспериментальные данные по длине дендрита, так как в таких полях время формирования дендрита намного превышает время его развития, и канал дендрита растет непрерывно. Как правило, зависимость lg τ=f(lg K) строится по данным, полученным для образцов при K≥3. Это может приводить к значительной ошибке при определении τ.
пр
l
пр
Кроме того, для точного построения зависимости lg τ=f(lg K) и последующей ее экстраполяции до пересечения с осью ординат необходим большой набор экспериментальных данных для обеспечения высокого уровня доверительной вероятности при определении экстраполированного значения τ, что значительно увеличивает время, необходимое для реализации способа.
К тому же в способе-прототипе также определяется только среднее значение времени до пробоя при определенной доверительной вероятности.
Технический результат заключается в сокращении времени диагностики за счет исключения необходимости проведения ресурсных испытаний образцов до пробоя, а также в снижении материалоемкости.
o
д
Это достигается тем, что в способе диагностики высоковольтной изоляции, заключающемся в том, что к испытуемому образцу изоляции через систему электродов острие-плоскость прикладывают высокое напряжение и определяют время до пробоя изоляции, согласно предложенному решению регистрируют момент зарождения первичного канала разрушения, измеряют время до появления первичного канала разрушения изоляции τ, после чего высокое напряжение отключают, время формирования дендрита τ определяют по эмпирическому выражению:
пр
а время до пробоя изоляции τ определяют по формуле:
где  - модуль комплексной диэлектрической проницательности в диапазоне сверхвысоких оптических частот при условии равенства ее действительной  и мнимой  составляющих, n - показатель преломления материала изоляции, δ - угол диэлектрических потерь.
Способ осуществляется следующим образом.
o
д
пр
К испытуемым образцам изоляции с помощью электродной системы острие-плоскость прикладывают высокое напряжение. Индивидуально для каждого образца регистрируют момент зарождения первичного канала разрушения изоляции, измеряют время появления первичного канала разрушения изоляции τ. Отключают высокое напряжение, затем по эмпирическим выражениям (1) и (2) рассчитывают время формирования дендрита τ и время до пробоя τ изоляции.
Предложенный способ позволяет значительно сократить время проведения испытаний, так как исключается необходимость проведения ресурсных испытаний образцов до зарождения дендрита, а также существенно снизить материалоемкость.
пр
д
о
Кроме того, предложенный способ диагностики в отличие от прототипа позволяет проводить индивидуальную диагностику высоковольтной изоляции единичных изделий и определять не только среднее значение времени до пробоя τ для партии образцов изоляции, но и время зарождения дендрита τ по результатам измерения времени зарождения первичного канала разрушения полимерной изоляции τ индивидуально для каждого образца изоляции без проведения длительных ресурсных испытаний.
Пример конкретной реализации заявленного способа. Для реализации заявленного способа методом литья под давлением были изготовлены три партии образцов из поликарбоната (ПК), который является прозрачным диэлектриком. Количество образцов в каждой партии было не менее 20 штук. Образцы в трех партиях отличались только направлением течения расплава при формовании: в образцах партии №1 направление течения расплава в пресс-формах в процессе изготовления было от плоскости к острию, в образцах партии №2 - от острия к плоскости, а в образцах партии №3 направление течения расплава было перпендикулярно оси промежутка острие-плоскость.
Каждый образец имел электроды острие-плоскость. Радиус закругления острия составлял r=7,5±0,5 мкм, расстояние между электродами для всех образцов было d=9,3±0,3 мм.
Все образцы испытывались на переменном напряжении промышленной частоты U=24,5 кВ, напряжение на образцы подавалось скачком. Вид испытательного напряжения может быть любым (переменное, импульсное или постоянное) и он не оказывает влияния на результаты диагностики изоляции. Так как наибольший практический интерес представляет диагностика изоляции электротехнического оборудования, то реализация метода была осуществлена на переменном напряжении промышленной частоты 50 Гц.
Регистрация процесса зарождения разрушения (регистрация момента зарождения первичного канала разрушения) в образцах полимерной изоляции из ПК осуществлялась методом регистрации частичных разрядов (Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979). В общем случае для регистрации момента зарождения разрушения может применяться любой экспериментальный метод, позволяющий регистрировать момент образования первичного канала разрушения (микротрещина или микрополость у высоковольтного электрода - острия). В частности, для прозрачных диэлектрических материалов может быть применен оптический метод с высоким пространственным разрешением, например, на основе оптического микроскопа и волоконного световода, или метод акустической эмиссии - для непрозрачных диэлектриков.
Известно, что зарождение и развитие разрушения высоковольтной изоляции под действием высокого напряжения в системе электродов острие-плоскость в абсолютном большинстве случаев имеет дискретный во времени характер. Так называемый "инкубационный" период завершается образованием первичного канала разрушения изоляции в виде микротрещины или микрополости у острия (Shibuya Y., Zoledziowski S., Calderwood J. Void formation and electrical breakdown in epoxy resin, IEEE Trans. Power Appar. Syst., 1977, V.PAS-96, p.198-206; Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков, Екатеринбург: УрО РАН, 2000, с.258), с которого в дальнейшем происходит скачкообразный рост канала неполного пробоя, так называемого электрического дендрита.
д
o
д
пр
Для формирования канала дендрита также необходимо определенное время τ, в течение которого формируется локальное электрическое поле на конце первичного канала разрушения изоляции и происходит деградация изоляционного материала. Одной из главных задач диагностики высоковольтной изоляции в сильном электрическом поле является задача определения момента начала разрушения изоляции, которое заканчивается электрическим пробоем и выходом из строя всего электроизоляционного изделия, что сопряжено со значительными материальными потерями. В этой связи способ, позволяющий проводить индивидуальную диагностику отдельных изоляционных изделий и определять время формирования первичного канала разрушения τ, время формирования дендрита τ и время до пробоя τ, является очень актуальным.
о
Образцы выдерживались под напряжением до формирования первичного канала разрушения, которое сопровождается появлением первого импульса частичных разрядов (ЧР). Появление частичных разрядов обусловлено возникновением электрических микроразрядов в формирующихся микротрещинах или микрополостях в изоляционном материале. После регистрации первого импульса ЧР испытательное напряжение отключалось и фиксировалось время до появления первого импульса ЧР - τ.
о
о
В таблице 1 приведены средние значения времени формирования первичного канала разрушения τ и амплитуды первичного импульса ЧР - q для трех испытанных партий образцов изоляции.
Для большинства диэлектриков имеются справочные данные по величине действительной ε' и мнимой ε''=ε'·tgδ составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ε*=ε'-jε'', где tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь для данного полимерного диэлектрика. В случае отсутствия таких справочных данных значения ε' и ε'' могут быть легко определены экспериментально любым из известных методов.
o
д
пр
После регистрации величины τ по формуле (1) были рассчитаны значения времени формирования дендрита τ, а по формуле (2) - значения времени до пробоя τ для каждого образца.
Таблица 1
Параметры начальной стадии разрушения образцов изоляции из ПК.
Параметр
Номер партии образцов
№1
№2
№3
τ<sub>о</sub>±Δτ<sub>о</sub>, с
149±16,5
189±16,6
233±23,2
q<sub>о</sub>±Δq<sub>о</sub>, пКл
25,9±5,24
18,5±4,08
14,72±3,7
д
пр
д
пр
Для сравнения значений τ и τ, определенных по предложенному способу, с экспериментальными значениями, образцы всех трех партий ПК были испытаны до пробоя. Расчетные и экспериментальные значения τ и τ представлены в таблицах 2 и 3.
д
пр
Сравнение результатов эксперимента и расчетов, приведенных в таблицах 2 и 3, показывает, что расхождение между средними значениями параметров τ и τ для трех испытанных партий образцов ПК не превышает 10%.
пр
д
о
пр
пр
д
пр
l
прi
пр
o
В таблице 4 приведены результаты сравнительной оценки времени, необходимого для реализации двух способов. За время реализации обоих способов определения τ приняты средние значения времени формирования дендрита τ и τ для трех испытанных партий образцов. При этом время, необходимое для определения значения τ по способу-прототипу, более чем в шестьдесят раз превышает таковое по предложенному способу (таблица 4). Время для определения значения τ по способу-прототипу складывается из суммы времен формирования дендрита τ как минимум четырех партий образцов, так как для построения зависимости lg τ=f(lg K) необходимо иметь минимум четыре точки, соответствующие средним значениям τ при различных испытательных напряженностях поля. Время для определения значения τ по предложенному способу складывается из суммы времен формирования первичного канала разрушения τ для партии образцов из 20 штук.
Таблица 2.
Экспериментальные значения пространственно-временных параметров начальной стадии разрушения образцов изоляции из ПК (d=9,3±0,3 мм, r=7,5±0,5 мкм, U=24,5 кВ).
Параметр
Номер партии образцов
№1
№2
№3
l<sub>д</sub>±Δl<sub>д</sub>, мкм
193±76
189±48
165±39
τ<sub>д</sub>±Δτ<sub>д</sub>, с
9826±1319
13532±1958
16725±3570
τ<sub>пр</sub>±Δτ<sub>пр</sub>, с
18520±1736
21456±2743
26303±3608
Таблица 3.
Расчетные значения пространственно-временных параметров процесса разрушения ПК по результатам регистрации частичных разрядов.
Параметр
Номер партии образцов
№1
№2
№3
l<sub>д</sub>±Δl<sub>д</sub>, мкм
210,8±69,4
183,5±46,3
168,7±38,7
τ<sub>д</sub>±Δτ<sub>д</sub>, с
9805±1086
12437±1093
15333±2178
τ<sub>пр</sub>±Δτ<sub>пр</sub>, с
18481±2046
23443±2059
28900±4106
Для точной оценки времени, необходимого для реализации двух способов необходимо:
1. Провести сравнительные испытания четырех партий образцов до формирования в них дендрита. В этом случае для обеспечения высокого уровня достоверности число образцов в каждой партии должно быть не менее 20 штук. После этого измерить длину дендрита во всех испытанных образцах любым известным способом. Время, необходимое для реализации известного способа-прототипа, без учета времени обработки полученных экспериментальных данных будет равно сумме времен формирования дендрита для 80 испытанных образцов и времени, необходимого для измерения длины дендритов во всех испытанных образцах.
Таблица 4.
Время, необходимое для определения τ<sub>пр</sub>
Способ
Среднее время определения значения τ<sub>пр</sub>, с
Номер партии образцов
№1
№2
№3
Прототип
9826
13532
16725
Предложенный
149
189
233
Отношение времен реализации двух способов
66
72
72
2. Провести испытания партии образцов из 20 штук для определения времени до зарождения первичного канала разрушения по предложенному способу. То есть, время, необходимое для реализации предложенного способа, без учета времени обработки полученных экспериментальных данных будет равно сумме времен зарождения первичного канала разрушения 20 испытанных образцов. При точной оценке времени реализации двух способов разница в пользу предложенного способа будет больше как минимум в четыре раза по сравнению с приведенной в таблице 4.
д
пр
о
Таким образом, предложенный способ позволяет определить значения τ и τ по результатам измерения τ, то есть сокращение времени на реализацию предложенного способа обусловлено отсутствием необходимости проведения длительных высоковольтных испытаний образцов до формирования в них дендритов. Кроме того, предложенный способ в отличие от способа-прототипа позволяет проводить индивидуальную диагностику (определить время зарождения дендрита и время до пробоя) для каждого образца высоковольтной изоляции.