Исследование частичных разрядов при электрическом пробое модельных изоляторов из электротехнического фарфора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.048

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОБОЕ МОДЕЛЬНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ФАРФОРА

М.В. АВВАКУМОВ, А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ Казанский государственный энергетический университет

Проведена серия экспериментов по исследованию пробоя изоляторов из электротехнического фарфора по методике регистрации ЧР с устройством РЧР-1. Получены амплитудно-фазовые характеристики распределений частичных разрядов при пробое внутри и по поверхности образцов. Исследованы свойства пробоя изоляторов при различных питающих напряжениях и конфигурациях электрического поля между электродами.

1. Введение

Измерение частичных разрядов (ЧР) при стендовых испытаниях высоковольтного оборудования является основным методом диагностики изоляции во всех высоковольтных лабораториях мира [1], [2]. Обнаружение частичных разрядов является мощным средством для тестирования высоковольтного оборудования без его отключения от сети высокого напряжения. Появление частичных разрядов свидетельствует о наличии дефекта изоляции, причем ЧР достигают обнаруживаемого уровня уже на ранней стадии развития дефекта. Основным материалом, из которого изготавливается широкий спектр изоляторов опорного и проходного типа, является электротехнический фарфор. Решение проблемы неразрушающей диагностики состояния фарфоровых изоляторов на различных электроэнергетических объектах и оборудовании в настоящее время является определяющим для повышения их надежности. Стендовые исследования в данной области позволют определить основные параметры ЧР для электротехнического фарфора и сформировать теоретическую и экспериментальную базу для контроля изоляторов из фарфора в рабочих установках.

2. Методика регистрации ЧР и программа измерений

Регистрация данных о ЧР осуществляется при помощи измерительного стенда, созданного авторами [3]. Сутью методики регистрации ЧР является амплитудно-фазовое детектирование (АФД) импульсов тока в заземляющем проводе разрядной ячейки при помощи электронного регистратора частичных разрядов РЧР-1, созданного авторами [4], [5].

Модельные образцы фарфорового диэлектрика вырезаны в виде прямоугольных пластин из электротехнического фарфора размерами 30 х 50 мм и толщиной 2мм. Пластина образца помещается между электродами. Каждая серия измерений предусматривает АФД импульсов ЧР при следующих значениях питающего напряжения их: 3кВ, 4кВ, 5кВ, 6кВ, 7кВ, 8кВ, 9кВ, 9.5кВ, 10кВ. В

некоторых случаях возможны дополнительные промежуточные значения напряжений. Изменение и производится в направлении постепенного

© М.В. Авакумов, А.В. Голенищев-Кутузов Проблемы энергетики, 2003, № 9-10

увеличения. Измерения ЧР для каждого и делаются после некоторого промежутка времени (5 - 10 мин) из-за возможной нестабильности горения воздушных промежутков. В силу стохастического характера ЧР при каждом и8 измерение повторяется несколько раз (3 - 5).

Программа измерений включает в себя:

а) моделирование целого изолятора. Шариковый и плоский электроды плотно прижаты к образцу (й = 0 мм), разряд происходит преимущественно внутри твердого фарфорового диэлектрика (рис.1, а). В этом случае на всей поверхности диэлектрика преобладает нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля, что можно рассматривать как модель проходного изолятора [6];

а) б)

Рис 1. Конфигурации разрядной ячейки: а - вертикальная, б - горизонтальная.

Обозначения: 1 - шариковый электрод, 2 - образец,

3 - поджимающая пружина, 4 - плоский электрод

б) моделирование дефектного изолятора. Между шариковым электродом и пластиной из фарфора создается воздушный промежуток, моделирующий дефект внутри проходного изолятора (рис.1, а). Проведены две серии измерений: при й = 1 мм и й = 2 мм;

в) моделирование эффекта поверхностного пробоя. Оба электрода располагаются на одной поверхности образца в разных сторонах прямоугольника модельной пластины (рис.1, б). На всех участках изолятора преобладает тангенциальная составляющая вектора напряженности электрического поля; такая конфигурация электродов является моделью простейшего опорного изолятора [6]. Для эмуляции дефекта в этом случае служит разлом пластины, соединяющей электроды с небольшим воздушным промежутком между разломанными частями. Для целого изолятора проведены три серии измерений в зависимости от расстояния между электродами Ьр: 8мм, 15мм, 25 мм. В качестве дефектного изолятора используется модельный образец, разломанный посередине. Расстояние между разломанными частями - 1мм.

З. Основные результаты эксперимента

Предварительные пробные измерения сигналов переменного магнитного поля при подаче на систему электродов высокого напряжения показали наличие в принимаемом сигнале двух составляющих: импульсов ЧР и слабого сигнала синусоидального напряжения, питающего ячейку. Источником синусоидальной составляющей в полезном сигнале явился протекающий через разрядную ячейку ток утечки выходной обмотки высоковольтного трансформатора. Для ослабления уровня этого сигнала в устройстве РЧР-l имеется фильтр высоких частот, однако полностью не устраняет низкочастотную помеху. Поэтому дополнительная обработка сигнала проводится уже программно, путем вырезания шумовой составляющей из полезного сигнала. Следует отметить, что синусоидальная помеха легко интерпретируется, учитывается и является единственной помехой в данной методике измерения: все удаленные источники переменного магнитного поля, в том числе другие источники ЧР, не оказывают никакого воздействия на полезный сигнал, наводимый в датчике.

Система измерения ЧР фиксировала импульсы тока в нагрузке вторичной обмотки высоковольтного трансформатора [З]. Плоскость катушки датчика располагалась на расстоянии l5 мм от шарикового электрода разрядной ячейки. Уровень шумовой синусоидальной составляющей - приблизительно BOO мВ. Вся серия измерений как продольного, так и поверхностного разряда была проведена во всем диапазоне питающих напряжений и конфигураций электрического поля согласно программе измерений. Данные сохранены в текстовом формате на жестком диске персонального компьютера для дальнейшей обработки и визуализации. В общей сложности было проведено l6O измерений.

Многократные повторные измерения в каждой серии показали хорошую повторяемость результатов, т.е. общая картина амплитудно-фазовых распределений (АФР) практически не изменялась от измерения к измерению. Распределение ЧР контролировалось во временной области при помощи осциллографа. При последовательном повышении питающего напряжения на образце система регистрации ЧР фиксировала незначительный рост синусоидальной помехи и возникновение коротких импульсов ЧР увеличивающейся амплитуды. Максимум амплитуд в фазовом распределении этих импульсов приходился на положительный полупериод частоты сети, в отрицательном фазовом полупериоде сигналы ЧР были значительно слабее. Это вызвано несимметричной структурой электродной системы. При обратном подключении к электродам заземляющего контакта и контакта подводящего напряжения картина распределения ЧР менялась на противоположную, т.е. с максимумом в области отрицательной полуволны. При возникновении ЧР уровня, близкого к критическому (напряжение около 9 кВ), становились слышны акустические сигналы ЧР.

При проведении измерений по пробою воздушного промежутка была отмечена некоторая неравномерность развития во времени процессов образования ЧР. После установления фиксированного значения Us в первый момент (порядка 5-15с) наблюдался высокий уровень ЧР, который с течением времени (около 30 с) несколько уменьшался до установившегося значения. В соответствии с этим эффектом измерения проводились именно для установившегося режима развития ЧР.

Результаты измерений представлены в различных формах отображения [4]:

1З6

- двухмерные и трехмерные цветовые АФР;

- максимальные фазовые распределения параметров Q (амплитуда видимого ЧР) и N (количество импульсов ЧР);

- фазовые распределения полной W (рис.2, а) и усредненной Ws (рис.2, б) энергии ЧР за фазовый промежуток;

- зависимости “амплитуда ЧР - количество импульсов” (Pulse height distributions) для положительной и отрицательной полуволн напряжения.

ИИ,

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Фаза, градусы

(а)

ft

U

1 ■ ■ | I ■ ■ ■ I ■ ■ ■ I ■ ■ I I т I I | I | I I I I I I | I I I | I I I | I I I | I I I | I I I | I I I | I | I I I | I I I

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Фаза, градусы

(б)

Рис 2. Фазовые распределения ЧР (поверхностный разряд, 10 кВ)

Для каждого измерения вычислены интегральные параметры ЧР:

1) полная энергия ЧР

(1)

где 6>.„ау - верхняя граница амплитудного диапазона; ]1 - нижняя граница амплитудного диапазона; AQ - шаг квантования амплитуд ЧР; ¥ - количество фазовых интервалов; Л/(ф) - массив распределения импульсов ЧР по фазовым интервалам;

2) усредненная полная энергия ЧР

и, =до £

/ =1

'О ^

^шах

2; N

.}=I1

N

шах/

ч У

где Лшах/ - массив максимальных значений числа импульсов ЧР в /-ом фазовом интервале;

3) параметры и и и, вычислены как для полного диапазона фаз от 0 до 360°, так и для каждого полупериода в отдельности, т.е. в диапазонах 0°- 180° и 180° - 360°.

Рассмотрим динамику изменения параметров ЧР при изменении питающего напряжения. В случае внутренних ЧР (рис.1, б) при постепенном повышении и, в изоляторе начинается ЧР слабой интенсивности при некотором значении напряжения (область до 6 кВ на рис.3, а). При выдержке напряжения в течение нескольких минут эти частичные разряды могут прекратиться на некоторый промежуток времени и появиться вновь [7]. Именно такой эффект нестабильного горения воздушного промежутка наблюдался при малых напряжениях и малой величине зазора й = 0,5 мм. При понижении напряжения до величины, близкой к напряжению возникновения ЧР, эти процессы прекращаются. Особенность этого вида ЧР состоит в том, что их появление не приводит к заметному разрушению изолятора и уменьшению напряжения возникновения ЧР. Однако они вызывают старение изоляции при длительном воздействии напряжения, являясь причиной разрушения диэлектрика. Такие разряды называются начальными [7]. При дальнейшем повышении напряжения до некоторого значения интенсивность ЧР резко возрастает. На рис.3,а для воздушного промежутка такому напряжению перегиба соответствует точка около 6кВ, для целого же изолятора (й = 0 мм) эта величина больше (» 8кВ). Такие интенсивные ЧР, называемые критическими, заметно разрушают изоляторы и в ряде случаев быстро снижают напряжение ЧР до некоторой минимальной величины, меньшей напряжения начальных ЧР, ниже которых ЧР в данном изоляторе существовать не могут. Дальнейший рост прикладываемого напряжения ведет приблизительно к линейному росту уровня и количества ЧР. Таким образом, наличие дефекта в виде воздушного промежутка ведет к значительному возрастанию энергии частичных разрядов, а также к понижению порога их возникновения. Так, при й = 0 мм рост энергии ЧР наблюдается после 6 кВ (рис 3,а), при й = 2 мм - после 5 кВ, при й = 1 мм - после 4 кВ.

В случае пробоя по поверхности зависимости и (и,) выглядят более равномерными (рис.3,б) по сравнению с внутренними ЧР. Для целого диэлектрика распределение энергии выглядит похожим на распределение в случае внутренних ЧР при й = 0. Напряжение начала ЧР в обоих случаях довольно высоко - около 8-9 кВ; численное значение энергии ЧР при поверхностном пробое несколько выше. В случае разломанного диэлектрика разряды по поверхности приводят к существенному понижению напряжения начала ЧР до 5 - 6 кВ, значительно вырастают по интенсивности, приближаясь по величине к внутренним ЧР.

Результаты проведенных измерений показали, что наличие дефектов в виде воздушных зазоров внутри или по поверхности изолятора приводит к

значительному увеличению интенсивности ЧР. Кроме того, наличие дефектов сопровождается понижением значения напряжения возникновения ЧР, что особенно опасно для изоляторов высоковольтных конструкций.

WW

U кВ и, кВ

а) б)

Рис 3. Зависимости электрической мощности ЧР от приложенного напряжения при различных

величинах воздушного зазора: а -продольный пробой; б - поверхностный пробой

Заключение

В результате проведенных экспериментов получены амплитудно-фазовые характеристики ЧР. Анализ этих характеристик показал, что можно с большой степенью точности детектировать наличие дефектных состояний в модельных образцах из электротехнического фарфора. Разработанная методика позволяет проводить мониторинг состояния высоковольтной изоляции при включенном рабочем напряжении: определять наличие зарождающихся и развивающихся механических дефектов как внутри, так и на поверхности изоляторов.

Summary

A series of experiments on research of breakdown of isolators from electrotechnical porcelain, by a technique of PD registration with device RPD-1 is accomplished. amplitude© Проблемы энергетики, 2003, № 9-10

phase characteristics of PD distributions are received at breakdown inside and on a surface of

samples. Properties of breakdown of isolators are investigated at various having voltage and

configurations of an electric field between electrodes.

Литература

1. Partial discharge measurements. // IEC Publication 270 (1981)

2. Lemke, E. PD probe measuring technique for on-site diagnosis tests on HV equipment. // 6th ISH new Orleans (1989) paper 15.08.

3. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В. Методика исследования электрического пробоя элементов из электротехнического фарфора. // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - № 5-6. - С. 148-153.

4. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А. Компьютерное устройство для регистрации процесса электрического пробоя и анализа электрической стойкости диэлектрических материалов. // Российский национальный симпозиум по энергетике РНСЭ, 1-14 сентября 2001: Материалы докладов. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2001 - Т.11. С. 248-251.

5. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Захаров А.А. Цифровой метод регистрации фазовых распределений частичных разрядов проходных изоляторов. // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2002. -- №9-10. - С. 84 -85.

6. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. -

М.:Энергоатомиздат, 1994.-496с.

7. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия, 1979.-224с.

Поступила 23.05.2003