Физика возникновения, характеристики и классификация частичных разрядов в высоковольтном оборудовании

УДК 621.315.6.001

Коробейников С.М., Вечёркин М.В.

ФИЗИКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ

ОБОРУДОВАНИИ

Практически все возникающие виды развивающихся повреждений изоляции высоковольтного оборудования - трансформаторов, реакторов, двигателей, генераторов, подземных и воздушных линий электропередачи неразрывно связаны с частичными разрядами (ЧР) [1, 2].

Регистрация и анализ ЧР является перспективным видом диагностирования электротехнического оборудования под рабочим напряжением, позволяющим выявлять и локализовать дефекты в изоляции.

Следует отметить, что в физике отсутствует понятие «частичный разряд». В технике высоких напряжений под этим определением принято объединять электрические разряды различной природы, возникающие в высоковольтном оборудовании и обладающие определенными свойствами.

Частичный разряд - это электрический разряд малой мощности, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, и не вызывает значительного изменения напряжения между ними. Длительность ЧР составляет единицы-десятки наносекунд.

Частичный разряд представляет собой локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика или пробой малых объёмов твердого или жидкого диэлектрика.

Каждый разряд оказывает негативное воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения и повышенной температуры. Поскольку ЧР обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, с течением времени их разрушающее действие может нарастать. Это ведет к постепенному разложению материала диэлектрика, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и, в конце концов, к разрушению изолятора.

Возникновение ЧР всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим регистрация характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления той или иной изоляционной конструкции и выявить местные дефекты, которые практически невозможно определить обычными испытаниями высоким напряжением или измерениями каких-либо интегральных характеристик изоляции (тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и т.д.).

Частичные разряды образуются под действием высокой напряженности электрического поля в местах пониженной электрической прочности. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электри-

ческого поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.

Механизм возникновения ЧР сходен с механизмом возникновения искрового разряда в воздухе, который можно пояснить простейшей схемой, показанной на рис. 1.

При замыкании высоковольтного источника Е на внешнюю цепь, конденсатор начнет заряжаться со скоростью, определяемой постоянной времени ЯС -цепи. По мере роста заряда на обкладках увеличивается напряжение на электродах 1 и 2 разрядника. Напряжение будет расти до тех пор, пока не достигнет некоторого критического значения -пробивного напряжения, которое аналогично напряжению зажигания ЧР в диэлектрике.

Очевидно, что величина напряжения зажигания определяется геометрией электродов, видом и состоянием диэлектрика между ними, величиной межэлектродного промежутка.

При возникновении искрового разряда заряд на конденсаторе С уменьшается, и напряжение между электродами становиться меньше пробивного. Напряжение, при котором разряд прекращается, называют напряжением погасания ЧР. После этого процесс заряда конденсатора повторяется.

Таким образом, в схеме будет наблюдаться периодический процесс изменения заряда и напряжения на конденсаторе, сопровождающийся возникновением электрических разрядов в диэлектрике разрядника.

Если в изоляторе содержится элемент диэлектрика с пониженной электрической прочностью, то такой элемент принято называть включением. Газообразные включения в изоляции возникают из-за несовершенства технологии изготовления изделий (неполная пропитка, усадочные каверны) или образуются в процессе эксплуатации вследствие чрезмерно высоких механических воздействий (трещины, расслоения), местных разогревов (термическое разложение изоляции с выделением газа) и по другим причинам.

Изолятор с включением принято описывать с помощью эквивалентной схемы, показанной на рис. 2 [1, 3]. Конденсатор Св представляет собой емкость газового включения. Последовательно включенный

конденсатор Сд есть емкость твердой части изоляции, имеющей общие силовые линии с включением. Конденсатор Са ной части диэлектрика, лишенной включений.

емкость осталь-

Г

1

= Сд

г ^

= св

а б

Рис. 2. Эквивалентная схема при рассмотрении ЧР в диэлектрике: а - структурная схема изолятора с включением; б - схема замещения структурной схемы.

Диэлектрическая проницаемость твердой части изолятора значительно выше диэлектрической проницаемости газа, поэтому напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в остальном диэлектрике.

Критичным параметром является высота включения йъ, так как её увеличение ведет к росту мощности ЧР и последующему пробою диэлектрика.

Возникновение ЧР произойдет тогда, когда напряжение на включении (емкость Св) достигнет пробивного значения Ивз - напряжения

зажигания разряда во включении.

При пробое напряжение на включении падает не до нуля, а до определенного значения £/вп - напряжения погасания разряда. Напряжение

погасания при размерах газового включения или масляной пленки порядка 10-100 мкм меньше соответствующего пробивного напряжения и может колебаться в широких пределах.

^„«(04 + 0,9)^.

Анализ структурной схемы и схемы замещения приводит к следующему соотношению между напряжением на электродах и напряжением зажигания ЧР [1, 3, 4]:

и = и.с-+с-

с„

На рис. 3 представлено развитие во времени ЧР при переменном напряжении.

После погасания разряда напряжение на включении начинает нарастать от значения ивп по кривой, соответствующей изменению приложенного напряжения, смещенной по вертикали на значение постоянной составляющей, возникшей в результате появления зарядов на поверхности включения (на емкости Св). Когда напряжение на Св достигнет значения ивз, процесс повторяется. Таким образом, разряды в

рассматриваемой области диэлектрика повторяются через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на

ди = и - и .

вз вп

Обычно, характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируются с размерами дефектов в диэлектрике, т.е. позволяют определять степень дефектности изоляционной конструкции. Для ЧР существуют измеряемые и расчетные характеристики.

К измеряемым характеристикам относятся следующие:

Кажущийся заряд д импульса ЧР - это такой заряд, который, будучи мгновенно введен между выводами испытуемого объекта, вызовет такое же мгновенное изменение напряжения между его выводами, как реальный ЧР. Кажущийся заряд количественно не равен заряду, который протекает в области разряда.

Частота следования импульсов п - отношение общего числа импульсов ЧР, зарегистрированных в выбранном интервале времени к продолжительности этого интервала времени. Практически, учитываются только импульсы, превышающие нормированную величину или находящиеся в нормированном диапазоне величин.

Фазный угол ф и время распространения импульса

ф, = 360 • ^,

1 I гу

где 1, - время, измеряемое между предшествующим положительным переходом напряжения через нуль и импульсом частичных разрядов, Т -период напряжения. Фазный угол выражается в градусах.

Следует отметить, что в действующем ГОСТ 200074-83 эта характеристика отсутствует. Однако многие исследователи в последнее время стали относить фазный угол к важным характеристикам, которые обязательно должны учитываться при анализе ЧР.

Рассчитываемыми характеристикам являются:

Частота повторения импульсов N - число импульсов частичных разрядов за секунду, в случае равноудаленных импульсов.

Средний ток частичных разрядов I - сумма абсолютных значений отдельных кажущихся зарядов щ,, взятая за выбранный контрольный интервал времени Т^, деленная на этот интервал времени:

I = у1- (к| + Ы + ••• + к I) А

Мощность частичных разрядов Р - средняя мощность импульса, подводимая к выводам испытываемого объекта, соответствующая значениям кажущего заряда щ, на протяжении выбранного контрольного интервала времени Те

р = +ч2и2+...+ки) 1Вт1

где Ц|, и2 ... и - мгновенные значения испытательного напряжения в моменты распространения ¿¡, отдельных значений кажущихся зарядов щ,. Мощность ЧР во многом определяет разрушающую способность ЧР.

Квадратичный параметр й - сумма квадратов отдельных значений кажущихся зарядов щ, в течение выбранного контрольного интервала времени Те, деленная на этот интервал времени

о = +к+.+ч1) [Кл2/с].

уге/

Интенсивность ЧР - обобщенная характеристика, определяющая разрушающую способность ЧР. К сожалению, к настоящему времени не установилось четкого и однозначного определения этого термина.

ЧР можно классифицировать по значению кажущегося заряда, которое достаточно четко связано с физическим механизмом их развития (Таблица) [1, 3].

По физике возникновения ЧР разряд может быть тлеющим, искровым и коронным.

Тлеющий разряд - это caмoпoддержuвающийся разряд с холодным катодом, испускающим электроны в результате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя положительного объемного заряда определенной толщины, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала: 100-400 В (катодным падением). Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. [5, 6].

Классификация частичных разрядов по величине кажущегося заряда

Таблица

2 о

СО

Величина кажущегося заряда, Кл Напряжение возникновения, кВ/мм Особенности Типичные места возникновения

Начальные I 10-14...10-11 15.20 Сопровождается слабым разрушением диэлектрика Масляные прослойки между электродом и прилегающим слоем бумаги у острых кромок

Начальные II * 10-12...10-11 15.45 Являются причиной разрушения диэлектрика Прослойки жидкого диэлектрика между листами бумаги

Критические >10-10 45.100 Интенсивное разрушение изоляции; резко сокращают срок службы изоляции Масляные каналы, скользящие разряды по поверхности твердой изоляции

* Начальные II - по механизму возникновения отличаются от начальных I.

Искровой разряд характеризуется прерывистой формой даже при пользовании источниками постоянного тока. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного, между электродами любой формы. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок - искровых каналов, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Они начинаются как от положительного электрода так и от отрицательного электродов, а также от любой точки между ними [6].

Скользящий разряд является разновидностью импульсного искрового разряда по поверхности диэлектрика.

Типичная конфигурация электродов, между которыми происходит скользящий разряд, приведена на рис. 4. Один из электродов представляет собой тонкую проволочку 1, другой - плоскую поверхность 3, отделённую от первого слоем диэлектрика 2, по которому стелется разряд.

Рис. 4 Скользящий по поверхности диэлектрика разряд.

1 - инициирующий электрод; 2 - диэлектрическая подложка;

3 - металлическая подложка.

Такая конфигурация электродов создаёт резко неравномерное электрическое поле с преобладанием нормальной составляющей к поверхности диэлектрика. Поэтому в скользящем разряде могут быть достигнуты высокие значения напряженности поля при умеренных амплитудах питающих высоковольтных импульсов.

При воздействии на электроды высоковольтного импульса с амплитудой 104-10 В и скоростью нарастания ~1012 В/с в разрядном промежутке складываются условия, характерные для наносекундного электрического пробоя. Напряжённость электрического поля в промежутке может усиливаться до 100 раз на микронеровностях поверхности диэлектрика и электродов. В таких жёстких режимах ток лидерной (незавершённой) стадии может превышать ток последующего завершённого скользящего разряда, замыкающего разрядный промежуток, а излучение разряда на этой стадии содержит интенсивную УФ-компоненту (вплоть до мягкого рентгена). Это излучение создаёт свободные фотоэлектроны на расстояниях, значительно превышающих критические размеры первичных лавин. При импульсном напряжении 50-200 кВ вдоль поверхности диэлектрика легко возникают плазменные поверхности протяжённостью до 200 см, яркостная температура которых может достигать 6104 К. Специфика скользящих разрядов определяется

активным взаимодействием плазмы разряда с поверхностью диэлектрика, что отражается на спектральных характеристиках излучения плазмы. Канал скользящего разряда ограничен в пространстве диэлектрической подложкой, поэтому площадь его сечения меньше, а погонное электрическое сопротивление соответственно больше, чем у свободного искрового разряда. Малая индуктивность и относительно большое сопротивление завершённого скользящего разряда обеспечивают высокую мощность энерговыделения в его канале, что приводит к образованию плотной высокотемпературной плазмы с большой площадью излучающей поверхности.

Коронный разряд возникает при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле, причем при меньших напряжениях, чем искровой. Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного их которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие). Наличие второго электрода необязательно, его роль могут играть окружающие заземленные электроды. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3104 В/м, вокруг этого электрода появляется свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и пошло название разряда. Если корона возникает вокруг отрицательного электрода, то она называется отрицательной. В противоположном случае - положительной. Механизм возникновения разряда в этих двух случаях разный [5].

Длительное воздействие ЧР на изолятор может привести к электрическому пробою и разрушению диэлектрика.

Электрический пробой есть образование канала высокой проводимости, способного пропустить столь сильный ток, что напряжение на изоляционном промежутке резко падает. Электрический пробой может привести к возникновению стационарного дугового разряда. Электрический пробой по определению не может быть отнесен к ЧР, так как изменение напряжения между электродами при пробое и мощность этого разряда относительно велики.

Разрушающее действие ЧР, приводящее к пробою диэлектрика, зависит от множества факторов. При этом вид ЧР или отдельные его характеристики не являются определяющими при оценке его разрушающей способности. Деструктивное действие ЧР зависит от вида разряда (критичным является возникновение скользящих разрядов в трансформаторах), его характеристик, места возникновения, длительности воздействия, стадии развития, внешних факторов.

Одной из проблем при изучении ЧР является отсутствие классификации и взаимосогласованной, единообразной терминологии. Например, в зарубежной литературе коронный разряд не принято относить к ЧР. Наиболее существенной проблемой является уже упомянутая неопределенность термина «интенсивность ЧР».

В настоящее время изучение ЧР находится в стадии решения множества проблем, связанных с выбором первичного информативного

параметра - ток, напряжение, акустический сигнал, электромагнитное излучение; способом получения первичной информации - выбор датчика и измерительной схемы, оценки и анализа получаемых сигналов -выделение полезного сигнала, определение диагностических признаков.

Конечной целью изучения ЧР является создание стационарных систем контроля, позволяющих оценивать состояние высоковольтного оборудования в реальном времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / Новосибирск: Наука, 2007.

2. Силовые трансформаторы - справочная книга под ред. Лизуно-ва С.Д., Лоханина А.К. / М.: Энергоатомиздат, 2004.

3. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях / Ленинград, Энергия, 1979.

4. R.J. Van Brunt «Physics and chemistry of partial discharge and corona. Recent advances and future challenges», Inst. Of Standards and Tech-nol., Gaithersburg, MA;

5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда / М.: Наука, 1992.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики, Т3, Электричество / М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

7. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд / М.; МФТИ, 1997.

УДК 621.313.333:62-573

Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р., Корнилов Г.П.

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРЕХФАЗНОМ ДВУХУРОВНЕВОМ ИНВЕРТОРЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Существующие программные продукты моделирования, анализа и синтеза электрических систем [1] дают возможность строить графики, имитировать динамические процессы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. В настоящее время программа MATLAB представляет собой богатейшую библиотеку элементов, в том числе электрических устройств: асинхронных и синхронных электрических машин, тиристорных и транзисторных полупроводниковых преобразователей, элементов систем управления. Имеются библиотеки математических функций. При моделировании систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями в среде MATLAB обычно их разделяют на части по конструктивному признаку: электри-