Изучение процессов разрушения высоковольтных полимерных изоляторов методом частичных разрядов

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ МЕТОДОМ ЧАСТИЧНЫХ

РАЗРЯДОВ

В.А. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ, А.Ю. ЧЕРНОМАШЕНЦЕВ,

А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ

Казанский государственный энергетический университет

Приведены результаты экспериментального изучения возникновения частичных разрядов (ЧР) от различных дефектов в полимерных изоляторах (ПИ). Установлены зависимости параметров ЧР (амплитуда, число разрядов, их фазовое распределение) от вида дефектов. В работе сделана попытка тестирования рабочего состояния ПИ в реальном времени без отключения высокого напряжения посредством амплитудно-фазового и частотно-фазового компьютерного анализа ЧР.

В настоящее время высокополимерные материалы находят все большее применение в качестве электрических изоляционных элементов в устройствах силовой электротехники и электроники, в частности проходных и опорных изоляторах. Одной из главных причин выхода из строя изоляторов является деградация изоляционных материалов, вызванная частичными разрядами (ЧР), происходящими в различных дефектах внутри полимерного изолятора. Старение изоляторов под действием ЧР - один из главных факторов, влияющих на время рабочего состояния изолятора. Следовательно, изучение ЧР в полимерных изоляторах (ПИ) является не только способом контроля рабочего состояния, что отражено в ГОСТ 20074-83, но и способом изучения самих процессов деградации.

Производственный контроль электрической прочности ПИ основан на стендовых испытаниях в соответствии с требованием ГОСТ 10390-86. Менее разработаны бесконтактные способы контроля, не требующие вывода ПИ из линий передачи и использующие детектирование ЧР или тепловизионные методы [1], хотя за рубежом уже имеются отдельные публикации о применении подобных бесконтактных методов [2]. Неразработанность применения бесконтактных методик, и, в частности метода ЧР на наш взгляд, состоит в усложнении дефектов и различии процессов старения полимерных изоляторов по сравнению с керамическими материалами. В полимерных изоляторах содержатся различные микродефекты, отличающиеся формой и размерами, которые возникают как в процессе изготовления (заполненные газом полости, проводящие включения), так и в процессе эксплуатации (микротрещины, повреждения ребер и стержня), а также сильные загрязнения с последующим увлажнением поверхностей. Вследствие повышенной локальной напряженности электрического поля на подобных дефектах могут возникать частичные разряды, создающие временное полное или частичное перекрытие изоляционного промежутка. В отличие от керамических изоляторов, где ЧР в основном свидетельствуют только о наличие дефекта, в ПИ под действием ЧР может начаться дальнейшее разрушение изоляции, при этом размер дефектной области и интенсивность ЧР увеличиваются. Когда дефектная зона, как правило, в виде древовидной структуры (дендрита) достигает больших размеров, становится возможным сквозной пробой изоляции между электродами [3]. При нормальной эксплуатации в отсутствии экстремальных воздействий процесс развития дефекта от

© В.А. Голенищев-Кутузов, А.Ю. Черномашенцев, А.В. Голенищев-Кутузов Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

зародышевой стадии до полного пробоя длится от нескольких дней до нескольких лет. Таким образом, появление ЧР свидетельствует о наличии дефекта изоляции, причем интенсивность ЧР достигает обнаруживаемого уровня уже на самой ранней стадии развития дефекта.

В данной работе, на основе ранее разработанной системы для детектирования ЧР и последующего их накопления и анализа [4], сделана попытка связать особенности ЧР с состоянием ПИ, находящихся под рабочим напряжением.

Блок-схема системы для изучения ЧР представлена на рис.1. Регулируемое переменное напряжение создавалось установкой контроля диэлектриков УКД-70. Для создания перенапряжения высокое переменное напряжение прикладывалось между верхним (или нижним электродами) ПИ и специальным электродом, закрепленным между ребрами изолятора. Такая схема эксперимента позволяла изучать наиболее вероятные области дефектов. Импульсные сигналы от исследуемых образцов ПИ регистрировались одновременно индукционным и акустическим датчиками, что позволило более точно выделить сигналы ЧР из электромагнитных и акустических помех. Далее сигналы датчиков подавались на двухканальный осциллограф ТБ81002 и разработанный блок регистрации и обработки характеристик ЧР с выходом на компьютер. В системе регистрации ЧР используется принцип фазовой регистрации ЧР, позволяющий определять среднюю интенсивность (кажущийся заряд) и количество импульсов ЧР за каждый дискретный интервал фазы переменного напряжения, соответственно: амплитудно-фазовые и частотно-фазовые характеристики. Квантование по уровню осуществляется при помощи задания опорной амплитуды в течение каждого периода напряжения.

2

Рис. 1. Блок-схема системы для изучения ЧР: 1-установка контроля диэлектриков; 2 - изолятор; 3 - индукционный датчик; 4 - акустический датчик; 5 - осциллограф; 6 - блок регистрации и обработки ЧР; 7 - персональный компьютер

Поскольку сами ЧР имеют случайный (стохастический) характер, все их параметры сильно изменяются во времени и имеют большой случайный разброс, и наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов ЧР, а среднее значение параметров импульсов и формы их распределений по амплитуде и фазе приложенного к изолятору переменного напряжения.

Для калибровки датчиков ЧР по интенсивности (кажущемуся заряду) использовались радиочастотные импульсы от дополнительного генератора, позволявшего изменять длительность и форму высокочастотных импульсных сигналов в соответствии с требованием ГОСТ 0074-83.

Методически достоверность выделяемых сигналов ЧР из шумов и других сигналов определялась путем одновременной подачи сигналов от индукционного и акустического датчиков на два канала осциллографа, развертка которого была

синхронизирована с фазой переменного напряжения. Также при одновременной подаче сигналов от двух пространственно разнесенных акустических датчиков с параболическими антеннами определялись места предполагаемых дефектов. Далее, с помощью компьютерной системы производилось накопление и обработка сигналов ЧР.

Были исследованы особенности параметров ЧР (величина кажущегося заряда и частота их повторения) в зависимости от напряженности и времени приложения переменного напряжения на линейных стержневых ПИ типа ЛК 70/30 и ЛК 70/110. Все образцы были условно разделены на три группы: новые изоляторы, еще не включавшиеся в линии передачи, изоляторы, уже находившиеся в эксплуатации порядка 4-6 лет, и изоляторы, снятые с эксплуатации по причине понижения электросопротивления или внешних повреждений. Предварительно степень рабочего состояния проверялась на стенде в Чистопольских сетях Татэнерго. Перед измерениями поверхности всех изоляторов были тщательно очищены от грязи и жиров.

Для трех изоляторов первой группы все параметры ЧР отличались не более, чем на 10-20%, и поэтому далее будут описываться их усредненные характеристики. ЧР в них возникали только при перенапряжениях к номинальному рабочему, в зависимости от марки изоляторов ЛК 70/30 или ЛК 70/110, и имели пороговый характер. Вначале возникали слабые ЧР с интенсивностями q = 20-50 пКл в основном в интервалах фазовых углов (40-80); (130-160); (220-260); (300-340). С ростом перенапряжения интенсивность слабых ЧР возрастала, также как и частота их повторения (рис. 2, а), их фазовое распределение смещалось в сторону меньших значений переменного напряжения. Кроме того, возникали относительно сильные ЧР с q>50-100 пКл. Интенсивность сильных ЧР более значительно возрастала с ростом перенапряжения, чем слабых. При дальнейшем увеличении перенапряжения (2,5 от первоначального порога возникновения ЧР) сильные ЧР по интенсивности группировались в определенных интервалах фазовых углов. Частота повторения ЧР также смещалась в интервалы фазовых углов, соответствующих слабым ЧР. Такое фазовое распределение не изменялось при увеличении перенапряжения выше 3,0 и ном. Интенсивность и частота повторения ЧР в каждом фазовом интервале

мало отличались (не более 10%) для различных отрезков ПИ, включающих контакты полимера с металлическими оконцевателями. Динамические характеристики ЧР для первой группы ПИ практически не изменялись при изменении времени приложения напряжения от минут до десятка часов.

Динамические характеристики ЧР для изоляторов второй группы практически не отличались от подобных характеристик изоляторов первой группы. Интенсивность ^<100 пКл), фазовое распределение интенсивностей и частота повторения ЧР смещалась в интервалы более далекие от максимумов фазового напряжения с ростом последнего. Однако наблюдалось понижение порога возникновения ЧР, хотя оно и превышало номинальное значение напряжения на 20-50%. Динамические характеристики ЧР для изоляторов второй группы, также как и для изоляторов первой группы, не изменялись от времени приложения переменного напряжения до десятков и более часов.

Динамика ЧР в изоляторах третьей группы значительно отличалась от динамики ЧР изоляторов первых двух групп. В них ЧР возникали даже ниже номинального напряжения. Пороговые значения переменного напряжения для слабых ЧР (10-50 пКл) составляли от 0,6 до 0,8 номинального напряжения. Дополнительно, начиная со значений напряжений 0,9-1,0 от номинальных, стали © Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

возникать ЧР с интенсивностями 100-200 пКл и частотой повторения до десятков за период. Вблизи номинальных значений напряжения стали возникать и более сильные ЧР (400-1000 пКл) (рис. 2, б).

а)

9

б)

Рис. 2. Зависимость числа импульсов от интенсивности наиболее сильных ЧР для изоляторов: а) для изоляторов первой группы: 1 - 2,5 ином ; 2- 2,7 ином ; 3 - 3,0 ином ; б) для изоляторов

третьей группы: 1 - 0,7 ином ; 2 - 0,9 ином ; 3 - 1,0 и ном ; 4 - 1,3 ином

Таким образом, при номинальных напряжениях во всех изоляторах наблюдались как слабые, так и сильные ЧР. Помимо указанных выше ЧР, с частотами повторения от нескольких десятков до сотен за период переменного напряжения, при номинальном напряжении наблюдались более мощные ЧР с интенсивностью 5-15 нКл и с интервалом повторения от нескольких секунд до нескольких минут. С ростом перенапряжения на 20-30% выше номинального подобные мощные ЧР возникали практически в каждом периоде. Интенсивность серии мощных (5-15 нКл) разрядов возрастала в каждом временном интервале (порядка 1-10 мин.), а затем резко падала до уровня 100-200 пКл.

Для ПИ третьей группы характерно наличие трех типов ЧР различной интенсивности: 10-15 пКл, 100-200 пКл и 5-15 нКл и с различной частотой повторения за период переменного напряжения. Поскольку процесс электродеструкции в основном определяется количеством наиболее сильных ЧР за период сети, был выполнен анализ зависимости интенсивности числа наиболее

сильных ЧР (0,7-0,9 от максимальных для изоляторов первой (рис. 3, а) и третьей групп (рис. 3, б). Наличие дефектных структур в изоляторах третьей группы подтверждается нелинейным возрастанием как числа, так и интенсивности ЧР с увеличением переменного напряжения (рис. 3, б).

ц

/1

Рис. 3. Зависимость интенсивности (^) и числа импульсов за период сети для наиболее сильных ЧР от величины перенапряжения ( и ном ): а) для изоляторов первой группы; б) для изоляторов

третьей группы

Приведенные выше данные по динамике ЧР в ПИ можно связать с наличием начальных дефектов и их последующим развитием в процессе эксплуатации на основе следующей модели: в полимерной изоляции, длительно находящейся под высоким переменным напряжением, происходит постепенное развитие уже существующих к началу эксплуатации первичных микродефектов. Такие микродефекты при нормальных условиях эксплуатации не являются источниками ЧР. Их можно отнести к неактивным дефектам, мало влияющим на рабочее состояние ПИ. Однако при возникновении экстремальных условий эксплуатации (перенапряжения, сильное загрязнение и увлажнение поверхностей) неактивные дефекты могут становиться источниками ЧР. Следует отличать ЧР от поверхностных и объемных дефектов. Первые из них чаще всего имеют непредсказуемый характер, поскольку они могут изменяться в зависимости от атмосферных условий, например неоднородного загрязнения или увлажнения. В данной работе не рассматриваются процессы электрического пробоя по загрязненной поверхности ПИ, поскольку они недавно подробно рассмотрены в работах [5, 6] и методы их контроля изложены в ГОСТе 10390-86. Объемные дефекты, чаще всего в виде полостей, проводящих включений и трещин, при локальном повышении напряженности электрического поля на них, могут являться источниками ЧР. При увеличении количества энергии, выделяющейся при ЧР, до критического значения возникает процесс дальнейшего развития первоначального микродефекта, в конечном итоге и приводящий к пробою и разрушению диэлектрика. Величина критической энергии ЧР, также как и пространственно-временная динамика роста дефекта, имеют

многопараметрический характер, зависящий от размера и формы дефекта, физико-химических свойств диэлектрика [7].

Пороговый характер возникновения ЧР малой интенсивности (</<50 пКл) под действием приложенного напряжения обусловлен электрическими пробоями мелких неоднородностей структуры полимерных материалов типа надмолекулярной структуры с размерами до 100 мкм [7, 8]. С повышением напряжения возникают ЧР (50</<100 пКл) от более крупных неоднородностей структуры с размерами 200-400 мкм. Эти неоднородности, как показано в ряде работ [7, 8], наиболее сильно влияют на кратковременную и долговременную электрическую прочность полимерных материалов. Относительно

долговременная неизменность параметров (интенсивность, частота повторения) слабых (10-100 пКл) ЧР свидетельствует об отсутствии процессов дальнейшего роста первоначальных дефектов и превращения их в дендритные структуры даже при (2,0-3,0) Uном превышении номинального напряжения. Эти результаты соответствуют данным модельных экспериментов в полимерных материалах, показывают, что в изоляторах первых двух групп не происходят какие-либо электродеструкционные процессы даже при повышенных, по отношению к номинальному, напряжениях.

Возникновение сильных ЧР (300-500 пКл) в ПИ третьей группы уже при приложении номинального напряжения свидетельствуют о наличии в них развития дендритных структур, как показано в работе [8]. Интенсивность ЧР пропорциональна суммарной длине каналов дендритной структуры, принимавшей участие в данном разряде. Другим доказательством физической природы этих ЧР является фазовое распределение максимумов плотности вблизи углов 5-50° и 190-230°, поскольку частота повторения ЧР увеличивается с ростом абсолютной производной напряжения по времени.

Серии наиболее сильных ЧР (/~5-15 нКл), скорее всего, характеризуют процессы рождения новых дендритных структур вокруг первоначальных дефектов, поскольку с ростом дендритов соответственно, как показано в [8, 9], увеличивается интенсивность наблюдаемых ЧР пропорционально общей длине дендритной структуры.

Таким образом, предложенный анализ стохастического распределения параметров частичных разрядов /(ф) и п(ф) позволяет определять не только характер дефектов в ПИ, но и степень их влияния на электрическую прочность полимерных материалов.

Summary

The results of experimental investigations the partial discharges (PD) development at various defects in the polymer isolators (PI) are presented. It was determined that the PD parameters (number, magnitude pulses and their phase distribution) are dependent from defects type. In the paper an attempt is made to on-line testing PI with no cut out of the high voltage through a phase resolved PD computer analysis.

Литература

1. Алев Р.М., Зарипов Д.К., Лопухова Т.В. Комплексный подход к дистанционной диагностике состояния подвесной изоляции // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2004. - №3-4. - С. 78-86.

2. Phillips A.Y. EPRI expriences with in-service inspection of nonceramic insolators Insolator 2000 World Congress. Barcelona, Spain. 1999. - P 231.

3. Куперштох А.Л., Стамателатос С.П., Агорис Д.П. Моделирование частичных разрядов в твердых диэлектриках при переменном напряжении // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т 32. - Вып 15.

4. Аввакумов М.В, Голенищев-Кутузов А.В., Захаров А.А. Цифровой метод регистрации фазовых распределений частичных разрядов изоляторов // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2002. - №11-12. - С. 56-64.

5. Электрическая прочность линейной полимерной изоляции в условиях загрязнения / В.В. Голудян, А.Р. Корявин, В.З. Трифонов и др. // Электричество. -2006. - №9.

6. Остапенко Е.И. Физические процессы при перекрытии загрязненной изоляции // Электричество. - 2006. - №9.

7. Wu K., Suzuoki Y, Dissado L.A. The contribution of discharge area variation to partial discharge pattern in disc-voids. Y.Phys. D.Appl Phys. 2004. - V37. - №7.

8. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. -Энергоатомиздат, 1994.

9. Носков М.Д., Малиновский А.С., Закк М, Шваб А.И. Моделирование роста дендритов и частичных разрядов в эпоксидной смоле // ЖТФ. - 2002. - №2.

Поступила 23.06.2008