Закономерности развития ЧР

10. Частичные разряды во внутренней изоляции высокого напряжения
10.1. Частичные разряды в газовых включениях во внутренней изоляции
Частичными разрядами (ЧР) называют разрядные процессы в изоляции,
которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка.
Частичные разряды могут возникать в ослабленных местах изоляции,
например, в газовых включениях, или в местах резкого усиления электрического поля, в частности, у острых краев электродов. Наибольшую опасность представляют ЧР в газовых включениях, так как в этом случае ЧР возникают при
меньших напряжениях, чем в жидких или твердых компонентах внутренней
изоляции.
Для выяснения наиболее важных закономерностей развития ЧР в газовых
включениях воспользуемся схемой замещения, показанной на рис. 1б. На этой
схеме Св – емкость газового включения, Сб – емкость участка изоляции, расположенного последовательно с газовым включением, Са – емкость остальной части изоляции, ИР – искровой разрядник, который имитирует пробой газового
включения, R – сопротивление канала ЧР в газовом включении.
Рис. 1. Изоляция в газовом включении (а) и схема ее замещения (б)
Определим напряжение Uчр, при котором в газовом включении возникают
разряды. Пусть к изоляции приложено переменное напряжение u  U m  sin t
При отсутствии ЧР напряжение на газовом включении (на емкости Св) будет
u  U вm  sin t , где U вm  U m  Cб (Сб  Св ) . Если Uвm  Uв.пр, где Uв.пр – пробивное
напряжение газового включения, то в газовом включении возникают ЧР. Усло-
вие возникновения ЧР Uвm=Uв.пр, соблюдается, когда значение напряжения U на
изоляции будет:
U  U чр 
U в.пр Сб  Св
.

Св
2
(1)
Для оценки величины Cб и Св в выражении (1) можно воспользоваться
формулой для емкости плоского конденсатора:
Сб 
 0 rи  Sв
;
d 
Св 
 0 rв  Sв
,

(2)
где  – размер газового включения в направлении поля; d – толщина изоляции;
Sв – площадь сечения газового включения, перпендикулярного силовым линиям
электрического поля; rв, rи – относительные диэлектрические проницаемости
газового включения и изоляции. Подставляя значения емкостей Cб и Св в (1)
при условии, что  << d, получим:
U чр 
U в.пр  rв d


2  rи 
(3)
Выражение (3) справедливо для изоляции с однородным электрическим
полем. Обычно поле в изоляции не однородно. При этом напряжение Uчр зависит еще от места расположения газового включения. Наименьшее значение
напряжения Uчр имеет место, если газовое включение находится в области
наибольших напряженностей. В этом случае
U чр 
 rв d
,
2  rиК н
U в.пр

(4)
где Кн – коэффициента неоднородности электрического поля в изоляции, равный отношению максимальной напряженности Емах к средней напряженности
Еср в изоляционном промежутке.
Как следует из закона Пашена, для газовых включений размером  в сотые доли миллиметра при давлении, близком к атмосферному, пробивное
напряжение U в.пр слабо зависит от размеров включения и равно для воздуха
примерно 300 В. Тогда выражение (4) принимает следующий вид:
U чр  0,2 
 rв d
.
 rи К н
(5)
Размер  газового включения в (5) – величина случайная; случайным является и место расположения включения в толще изоляции. Поэтому для
внешне одинаковых изоляционных конструкций наблюдаются значительные
разбросы значений напряжения Uчр, (среднеквадратическое отклонение ч.р составляет 10…25 % среднего значения U чр ).
При напряжении U < Uчр частичные разряды в изоляции отсутствуют, поэтому длительное воздействие напряжения не приводит к сокращению срока
службы изоляции. Следовательно, чем больше напряжение Uчр, тем выше допустимое для изоляции длительно действующее рабочее напряжение.
Формула (5) позволяет оценить эффективность различных способов увеличения напряжения Uчр:
1. Пропитка промежутка минеральным маслом (замена воздуха rв = 1,0 во
включениях на масло rв = 2,2) дает только за счет увеличение диэлектрической проницаемости rв повышение напряжения Uчр в 2,2 раза.
2. При изготовлении изоляции необходимо уменьшить число и размеры
включений (для многослойной изоляции плотные наложения слоев).
3. Регулирование электрического поля, т.е. уменьшение коэффициента неоднородности электрического поля (Кн  3 – в слабонеоднородном поле,
Кн > 3 – в сильнонеоднородном поле).
Теперь рассмотрим развитие ЧР во времени. Пусть начиная с t = 0 на изоляцию воздействует переменное напряжение u = Umsin t , причем Uвт > Uв.пр.
До момента времени t1 (рис. 2) Uв < Uв.пр, поэтому разряды отсутствуют, а напряжение на включении изменяется по закону uв=Umвsin t. В момент
t1, когда uв = Uв.пр, возникает первый ЧР. При этом емкость Св окажется зашунтированной сопротивлением R канала разряда, напряжение на С в станет быстро снижаться. Когда оно снизится до значения напряжения гашения Uв.г, разряд во включении погаснет. Снижение напряжения на включении
происходит за время 10-7 … 10-8 с, поэтому будем считать, что этот процесс
происходит мгновенно.
Рис. 2. Изменение напряжения ив на газовом включении при частичных разрядах
После погашения первого ЧР напряжение на С в при t > t1 изменяется
по закону:
Uв 
Сб
U m sin t  (U в.пр  U в.г ) .
Сб  С в
(6)
Это выражение для uв справедливо до момента времени t2, когда напряжение uв вновь достигнет значения Uв.пр и произойдет второй ЧР.
После погашения второго ЧР напряжение на включении до момента t3
определяется выражением:
Uв 
Сб
U m sin t  2(U в.пр  U в.г ) .
Сб  Св
(7)
Продолжая далее подобные рассуждения, получим график изменения
напряжения uв на газовом включении, показанный на рис. 2. На этом графике
каждому скачку напряжения uв соответствует один ЧР.
Как видно, ЧР в газовом включении возникают при переменном напряжении с определенной регулярностью в каждый полупериод.
Можно показать, что число ЧР в единицу времени в случае, если
напряжения uв.пр и uв.г не зависят от полярности напряжения, определяется выражением
nf  4 f
U  U чр
U чр (1   )
,
где U – воздействующее на изоляцию напряжение;
f – частота;
(8)
 = Uвг/Uв.пр. По опытным данным  = 0,5 ...0,8.
В соответствии с (8), наименьшее число ЧР в единицу времени имеет
место при U = Uч.р и равно n fmin = 4f. При f = 50 Гц
n fmin = 200 с-1.
Если в изоляции имеется несколько газовых включений разного размера и расположенных различным образом в толще изоляции, то суммарное
число ЧР в единицу времени:
i k
U  U ч. р.i
i 1
U ч. р.i (1   )
nf  4 f 
,
(9)
где U ч. р.i – напряжение появления ЧР в i-м включений;
k – число включений в изоляции, для которых Uч.р.i  U.
Согласно (8) и (9), при f = 0 (постоянное напряжение) n f = 0, т.е. ЧР
отсутствуют. Однако более строгий анализ, проведенный с учетом влияния
проводимости изоляции на изменения напряжения на газовом включении,
показывает, что и при постоянном напряжении имеет место регулярное повторение ЧР во включениях, но число ЧР в единицу времени при этом оказывается на несколько порядков меньше, чем при частоте 50 Гц.
Таким образом, при напряжениях U Uч.р.i в газовых включениях регулярно возникают и гаснут ЧР. При каждом разряде в его канале рассеивается
некоторая энергия Wч.р, часть которой идет на разрушение изоляции. Средняя
мощность регулярно повторяющихся ЧР определяется выражением
Рч. р  n f Wч. р
(10)
Из (9) и (10) следует, что с ростом приложенного к изоляции напряжения
число ЧР в единицу времени и средняя мощность увеличиваются, соответственно скорость электрического старения изоляции возрастает, а срок службы
сокращается.
Источником рассеиваемой в канале ЧР энергии Wч.р, является электрическое поле в изоляции, т.е. в емкостях Са, Сб и Св. Энергия от внешнего источника напряжения в канал разряда практически не поступает из-за малой длительности существования ЧР. В связи с этим энергию Wч.р можно подсчитать как
разность энергии, накопленной в изоляции перед возникновением разряда, и
энергии, оставшейся в ней после погасания ЧР:
Wчр 
где С э  Св 
Сэ (U в2.пр  U в2.г )
2
,
(11)
С а Сб
– эквивалентная емкость изоляции между теми точками
С а  Сб
схемы замещения, между которыми развивается ЧР. Поскольку Са  Cб,
а Св  Cб, то Сэ  Св.
Для оценки порядка величин Wч.р и Рч.р можно использовать формулу
(6) для емкости Си принять Uв.пр = 300 В, а  = 0,5. Тогда получим, что для
включения, размер которого вдоль электрического поля  = 0,1 мм и площадь сечения Sв = 1 мм2, энергия Wч.р имеет значение порядка 10-8 Дж, а
средняя мощность Рч.р при Um=Uчр – порядка 10-6 Вт. Как видно, энергия Wч.р
и средняя мощность Рч.р могут быть чрезвычайно малыми. Однако энергия
Wч.р сообщается малым участкам поверхности газового включения за очень
короткий промежуток времени, т.е. концентрированно, поэтому под действием ЧР происходит разрушение микрообъемов изоляции, прилегающих к
газовому включению. Со временем размеры газового включения увеличиваются в направлении электрического поля, процесс завершается полным пробоем изоляции.
10.2. Меры интенсивности частичных разрядов
Темпы электрического старения и срок службы изоляции, как уже отмечалось, зависят от средней мощности Рч.р и энергии Wч.р. Поэтому Рч.р и Wч.р
являются важнейшими характеристиками ЧР. Однако непосредственное измерение Рч.р и Wч.р в большинстве случаев практически невозможно, так как
они очень малы. В связи с этим в качестве мер интенсивности ЧР применяют
другие величины, пропорциональные Рч.р и Wч.р, но поддающиеся прямому
измерению.
Чтобы пояснить физический смысл используемых мер интенсивности
ЧР, рассмотрим кратко основы электрического метода измерения характеристик ЧР. В этом методе используется одно из внешних проявлений ЧР – снижение при каждом ЧР напряжения на испытуемой изоляции скачком (точнее, за время 10 -7…10-8 с) на величину их. Ниже будет показано, что скачок напряжения их пропорционален энергии Wч.р.
Скачок напряжения их на изоляции вызывает переходный процесс в
цепях, с которыми соединена емкость Сх изоляции. В измерительной установке,
схема которой показана на рис. 3, переходный процесс возникает в контуре,
состоящем из емкости испытуемой изоляции Сх, емкости конденсатора связи
Сс, источника регулируемого напряжения (испытательного трансформатора) Т
и измерительного элемента Zи (резистора с сопротивлением R или катушки индуктивности Lи). Вследствие этого переходного процесса на измерительном
элементе Zи возникает кратковременный импульс напряжения. Так как контур
состоит из линейных элементов, амплитуда импульса напряжения на Zи пропорциональна значению их.
Рис. 3. Схема установки для измерения характеристик ЧР в изоляции
Импульс напряжения с элемента Zи через фильтр Ф поступает на усилитель У, а затем на осциллограф ЭО для измерения его амплитуды и на счетчик импульсов СИ для измерения числа импульсов, т.е. числа ЧР, в единицу
времени. В этой схеме фильтр Ф используется для того, чтобы на вход усилителя У не попадали мешающие измерениям напряжения промышленной частоты и его гармоники, обусловленные падением напряжения на Zи от протекающих через Сс емкостных токов.
Скачок напряжения их объясняется тем, что в канале ЧР рассеивается
часть энергии, запасенной в электрическом поле изоляции. В момент,
предшествующий ЧР, в Сх запасена энергия Схu2/2. Можно принять приближенно, что после погашения ЧР в изоляции остается энергия Сх (u  u x ) 2 / 2 ,
где и – напряжение в момент появления ЧР. Следовательно,
С хu 2 C x (u  u x ) 2
Wчр 

,
2
2
(12)
учитывая, что ux<<u, после простых преобразований получим: Wч.р  u x C x u .
Строгое рассмотрение, учитывающее перераспределение энергии электрического поля между емкостями Са, Cб и Св при ЧР дается выражение
Wч. р 
u xC x
U ч. р (1   ) ,
2
(13)
где Uчр – напряжение возникновения ЧР в действующих значениях.
Итак, скачок напряжения их на изоляции, а следовательно, и амплитуда
импульса напряжения, регистрируемого в установке по рис. 3, пропорциональны энергии частичного разряда Wч.р.
При таком методе измерения характеристик ЧР, получившем наибольшее
распространение из-за высокой чувствительности, в качестве меры интенсивности единичного ЧР принимают величину q = uxCx, которую называют кажущимся зарядом ЧР. В соответствии с (13) связь между q и Wч.р определяется выражением
Wч. р 
qU ч. р
2
(1   ) .
(14)
Мерой интенсивности, соответствующей средней мощности Рч.р, в этом
случае служит средний ток ЧР
I ч. р  n f q .
(15)
Для измерения кажущихся зарядов q установку, схема которой показана на
рис. 3, специальным образом градуируют. Требования к элементам установок для
измерения характеристик ЧР и правила их градуировки сформулированы в ГОСТе.
Опытным путем установлено, что в различных видах внутренней изоляции в зависимости от качества изоляции и значения приложенного напряжения
ЧР могут иметь кажущиеся заряды от 10-14 до 10-16 Кл. При ЧР с кажущимися
зарядами 10-14 …10-16 Кл происходит относительно медленное старение изоляции. В ряде случаев такие ЧР допустимы при рабочем напряжении, так как
обусловленное ими старение оказывается настолько медленным, что обеспечивается необходимый срок службы (около 20 лет и более). При ЧР с
q = 10-9…10-6 Кл за короткое время происходит значительное разрушение изоляции; такие ЧР недопустимы даже при кратковременных перенапряжениях и,
следовательно, при испытательных напряжениях.
10.3. Частичные разряды в бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции
В бумажно-масляной и в маслобарьерной изоляции оборудования высших
классов напряжения при строгом соблюдении технологии изготовления газовые
включения отсутствуют. Это достигается за счет применения вакуумной сушки
изоляции и пропитки ее под вакуумом тщательно дегазированных маслом. Однако и в этих видах внутренней изоляции могут развиваться ЧР, но при существенно более высоких напряженностях, чем в изоляции с газовыми включениями.
Экспериментально установлено, что в бумажно-масляной изоляции возможны ЧР двух видов: начальные и критические.
Начальные частичные разряды (НЧР) характеризуются кажущимися
зарядами от 10-14 до 10-11 Кл. Они развиваются непосредственно в масляных
прослойках между электродом и прилегающим слоем бумаги у острых кромок
или у микронеровностей электродов, т.е. в местах локального усиления электрического поля. Например, в бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа,
у которой электроды выполняются из тонкой алюминиевой фольги, НЧР возникают у краев электродов, где напряженность примерно на порядок превышает
среднюю. Для такой изоляции экспериментальным путем получены зависимости
средних значений начального напряжения Uн, кВ, при котором возникают НЧР,
от толщины изоляции d, мм:
U н  kн  d 0, 42 ,
(16)
где kн зависит от плотности бумаги; при плотностях бумаги 0,8; 1,0 и 1,2 г/см2
коэффициент kн равен соответственно 4,0; 3,8 и 3,3.
В бумажно-масляной изоляции со слабонеоднородным электрическим полем НЧР появляются у микронеровностей на поверхностях электродов при средних напряженностях 15…20 кВ/мм.
С ростом приложенного напряжения средняя мощность НЧР резко возрастает, главным образом, за счет увеличения числа разрядов в единицу времени.
Для U > l,5Uн зависимость средней мощности Рн,ч,р начальных разрядов от напряжения выражается формулой:
Рн,ч, р  k U m ,
(17)
где показатель степени т по опытным данным в среднем равен 6,0.
Из-за малой энергии, рассеиваемой в отдельных НЧР, эти разряды не
оказывают разрушающего воздействия на бумагу, а вызывают лишь медленное
разложение масла с выделением газов и образованием ряда других продуктов.
Сущность электрического старения, обусловленного НЧР, состоит в постепенном накоплении в изоляции продуктов разложения масла, приводящих к росту
tg  и мощности диэлектрических потерь. Со временем этот процесс приводит к
тепловому пробою изоляции. Возможен и другой механизм старения: постепенное повышение в масле концентрации газов, образующихся под действием НЧР.
Старение завершается тогда, когда масло полностью насыщается газом, растворение газов в масле прекращается и в изоляции образуются газовые включения. В
последних возникают мощные критические ЧР, которые быстро разрушают слои
бумаг до полного пробоя.
Начальные частичные разряды в бумажно-масляной изоляции при рабочем напряжении в принципе допустимы, однако их мощность не должна превышать значений, определяемых требуемым сроком службы. В ряде случаев
конструкции с бумажно-масляной изоляцией проектируются из осторожности по
условию полного отсутствия НЧР при рабочем напряжении.
Критические частичные разряды (КЧР) имеют кажущиеся заряды 10-9 Кл и
более. При быстром подъеме напряжения такие разряды возникают, когда мощность НЧР возрастает настолько, что скорость выделения газов из масла становится выше скорости их растворения и в изоляции образуются устойчивые газовые включения. В этих включениях и развиваются КЧР.
Напряжение Uкр, при котором процесс переходит в стадию критических ЧР,
для бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа превышает начальное
напряжение Uн в 3…5 раз и, подобно напряжению Uн, зависит от толщины
изоляции. В бумажно-масляной изоляции со слабонеоднородным электрическим полем напряжение Uкр практически совпадает с пробивным.
Критические частичные разряды имеют мощность, достаточную для относительно быстрого (минуты, часы) разрушения слоев бумаги. Они особенно
опасны тем, что их появление даже на очень короткое время, например при перенапряжениях, приводит к образованию в изоляции газовых включений, в которых эти мощные ЧР могут развиваться, затем при напряжениях ниже
начального, т.е., возникнув при перенапряжении, мощные КЧР могут сохраниться при рабочем напряжении и за короткое время разрушить изоляцию до
пробоя. Поэтому обязательным условием надежной работы бумажно-масляной
изоляции является отсутствие КЧР при всех возможных перенапряжениях и при
испытательных напряжениях
В масло-барьерной изоляции также могут иметь место начальные и критические ЧР. Первые из них имеют кажущиеся заряды не более 10–12 Кл и возникают непосредственно в масляных зазорах конструкции или в газовых включениях (если сушка и пропитка маслом осуществлялись при недостаточно глубоком вакууме). Такие ЧР, как правило, безопасны для изоляции и допустимы при
рабочих напряжениях, так как твердую изоляцию они не повреждают, а продукты разложения масла распределяются по большим объемам.
Критические ЧР с кажущимися зарядами 10-7 Кл и более вызывают пробой масляных каналов в конструкции или скользящие разряды по поверхности
твердой изоляции. Появление критических ЧР в масло-барьерной изоляции недо-
пустимо, так как такие разряды вызывают необратимое снижение длительной
электрической прочности изоляции.
10.4. Контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов
Для обнаружения ЧР и измерения их интенсивности разработано несколько методов, основанных на регистрации различных внешних проявлений
ЧР. Наибольшее распространение получил электрический метод, сущность которого кратко изложена в п. 11.2. Схема установки для измерения характеристик ЧР электрическим методом представлена на рис. 3.
Как было показано в п. 11.2, каждый единичный ЧР с кажущимся зарядом
q вызывает скачкообразное (за время 10-7…10-8 с) изменение напряжения на испытуемой изоляции на величину u = q/Сх, где Сх — емкость испытуемой изоляции. Вследствие этого в контуре высокого напряжения возникает переходный
процесс и на измерительном элементе, т.е. на входе измерительной части установки, появляется импульс напряжения с амплитудой
uвх 
q
CC
Cx  Cc  x п
Сс
,
(18)
где Сс – емкость конденсатора связи (см. рис. 3);
Сп – паразитная емкость входных цепей измерительной части установки.
Если в качестве измерительного элемента используется резистор Rи, то
импульс напряжения от ЧР на входе измерительной части получается апериодическим, с широким спектром частот. Для усиления таких сигналов используются широкополосные усилители с полосами пропускания от 10…30 кГц до
1…2 МГц. Если же элементом Zи служит катушка индуктивности Lи, то сигнал
имеет форму затухающих колебаний. Его энергия сосредоточена в относительно
узкой полосе частот. В этом случае применяют узкополосные усилители с полосой пропускания 8…10 кГц и частотой настройки от 20 кГц до 2 МГц. В обоих
случаях коэффициент усиления – до 106 с.
В установках с широкополосными усилителями импульсы напряжения от
ЧР получаются очень короткими, поэтому сигналы от следующих друг за другом разрядов не налагаются один на другой, их можно четко различить и подсчитать с помощью счетчика импульсов. Однако в этом случае из-за широкой
полосы пропускания усилителя на регистрирующие приборы проходят значительные шумы, мешающие измерениям.
В установках с узкополосными усилителями уровень шумов при прочих
равных условиях значительно ниже; чувствительность таких установок существенно выше. Однако сигналы от отдельных ЧР получаются достаточно длительными, налагаются друг на друга, поэтому точное измерение числа разрядов
в единицу времени невозможно. Установки с узкополосными усилителями используют при высоком уровне внешних шумов и, как правило, только для обнаружения или измерения напряжения появления ЧР.
Широкополосные усилители применяют при необходимости точного измерения интенсивности ЧР. При этом используют специальные меры по ограничению помех (полностью экранируют помещение лаборатории, используют
сетевые фильтры и т. д.). Установки по рис. 3. применяются в стационарных
лабораториях для контроля состояния изоляции оборудования после его изготовления или ремонта, а также при проведении исследований. В условиях эксплуатации контроль изоляции с помощью электрического метода регистрации
ЧР крайне затруднен из-за очень высокого уровня помех от короны на проводах
и арматуре изоляторов.
В последние годы для контроля изоляции элегазовых КРУ широко используется акустический метод, который позволяет определить не только наличие ЧР, но и место, где они развиваются.