CC BY
72
УДК 621.3.048
ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРАХ
В.А. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ*, А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ*, Д.Ф. ГУБАЕВ**, А.Ю. ЧЕРНОМАШЕНЦЕВ*, Л.И. ЕВДОКИМОВ*
*Казанский государственный энергетический университет ** ОАО «Сетевая компания»
Представлены результаты экспериментального изучения особенностей возникновения частичных разрядов в полимерных изоляторах. Установлены зависимости параметров частичных разрядов (интенсивность, число разрядов, их фазовое распределение) от рабочего состояния изоляции.
Ключевые слова: полимерные изоляторы, частичные разряды, дефекты, тестирование, высокое напряжение, диагностическая система.
Разнообразные полимерные материалы в наши дни нашли, как в России, так и за рубежом, широкое применение в электроэнергетике: изоляция кабелей, обмоток трансформаторов и электромашин, опорные, подвесные и проходные изоляторы. В процессе эксплуатации, вследствие длительного воздействия рабочего напряжения в сочетании с определенными факторами окружающей среды (солнечная радиация, температура, влажность, загрязнение поверхностей, механические напряжения и т.д.), снижается электрическая прочность изоляции, что в конечном итоге может привести к частичному или полному разрушению изолирующих элементов.
В отличие от механического разрушения изолятора при электрическом пробое, характерного, например, для фарфора и стекла, электрическим разрушением для полимера является образование проводящего канала в диэлектрике, находящемся между электродами в приложенном электрическом поле. Поскольку электрическое разрушение имеет сложный временной характер, то до настоящего времени не существовало теории, адекватно описывающей данный процесс [1-4]. На основе общих представлений о процессах и механизмах электрического старения, как наиболее важного фактора в физико-химических процессах старения [5, 6], его можно условно разделить на два временных периода. Первый их них - время Т1 от начала приложения номинального рабочего напряжения до зарождения каких-либо первичных дефектов (для полимеров в виде древовидных каналов, заполненных газом). В нормальных условиях эксплуатации Т1 может достигать значений порядка многих лет [1, 6] без заметного снижения электрической прочности.
Второй период характеризуется временем т2 от зарождения дендритов до пробоя. Дендриты возникают в местах повышенной локальной напряженности поля. Такими характерными местами, для практически всех видов изоляции, являются неоднородные поверхности электродов и граничащих с ними диэлектриков, проводящие включения, микротрещины и полости на поверхностях и в объеме диэлектриков.
Длительность периода т 2 определяется рядом процессов: инжектирование электронов из электродов, формирование и эволюция объемных зарядов разных знаков, ионизация полимерных процессов. В целом,
© В.А Голенищев-Кутузов, А.В. Голенищев-Кутузов, Д.Ф. Губаев, А.Ю. Черномашенцев, Л.И. Евдокимов
Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
т2 может варьироваться от 1 до 106 секунд и во многом определяется температурой, электрическим полем и режимом работы электросети.
Зарождение дендритов сопровождается нарушением сплошности материала и характеризуется электрическими (частичные разряды), акустическими, тепловыми и оптическими эффектами, что позволяет с помощью различных физических методов регистрировать начальную фазу зарождения дендритов. Особенно важным моментом является изучение характеристик частичных разрядов (ЧР), поскольку в полимерах, в отличие от других типов диэлектриков, дальнейший рост дендритов происходит под действием ЧР на каналы дендритов. Таким образом, рост дендритов и параметры ЧР (интенсивность, частота повторения) являются взаимосвязанными процессами, приводящими, в конечном итоге, к пробою изоляции вследствие перекрытия межэлектродного промежутка дендритом.
Как показали предыдущие теоретические и экспериментальные [6,7] исследования процессов электрического пробоя высоковольтных изделий, для полимерных материалов можно условно представить несколько видов пробоев, наиболее характерных для всех типов оборудования (изоляторов, кабелей, обмоток).
1. Пробой вдоль границ раздела двух разных диэлектриков, например, вдоль границ полимер - газ (поверхностный пробой) или границы стержень -оболочка для высоковольтных изоляторов.
2. Пробой вдоль границы электрод - диэлектрик. Для кабелей это соответствует пробоям токопроводящая жила - диэлектрик - металлический экран; для изоляторов - металлическая арматура (оконцеватель) - диэлектрик.
3. Пробой в объеме диэлектрика через малые каверны, неоднородности структуры.
К настоящему времени наиболее полно исследован третий вид пробоя, который происходит при относительно невысоких напряженностях поля. Такой микроразряд можно считать классическим видом ЧР, возникающим по двум причинам: газ внутри каверны имеет более низкую электрическую прочность, чем твердый диэлектрик, вследствие различий в диэлектрической проницаемости. Следовательно, напряженность поля внутри каверны выше, чем снаружи, поэтому вероятность возникновения ЧР в каверне зависит от локального поля внутри нее. Спустя некоторое время поле микропробоя ЧР в каверне погасает вследствие накопления зарядов на ее поверхности, частично компенсирующих внутреннее поле.
Определенные успехи достигнуты и при исследовании поведения роста дендритов и ЧР в модельных полимерных образцах. Главным итогом этих исследований стало создание модели, в которой показано, что рост дендритов определяется локальной напряженностью поля в дендрите, и разрушение диэлектрика под действием ЧР происходит именно в каналах дендрита [8].
Наименее исследованы процессы скользящего разряда на поверхности изоляторов, что объясняется одновременным воздействием, в основном, трех факторов: искажением поля за счет различия диэлектрических характеристик окружающей среды и твердого тела; влиянием абсорбированных веществ, содержащихся в диэлектрике и в атмосфере; подпиткой развивающегося канала через емкость изолятора.
Среди реальных изолирующих элементов, используемых в высоковольтной энергетике, наиболее исследованы особенности полиэтиленовой изоляции кабелей, трансформаторов и электромашин, а наименее изученными являются
изоляторы на основе композиционных полимерных материалов, в дальнейшем -полимерные изоляторы (ПИ), хотя они представляют новые поколения опорных, подвесных и проходных изоляторов. Причиной этому является использование в ПИ нескольких видов материалов с различными физико-химическими свойствами и усложненностью конструкции по сравнению с ранее применяемыми фарфоровыми и стеклянными изоляторами. Основой конструкции ПИ являются: стеклопластиковая труба (или стержень), выполняющая функцию грузонесущего и изолирующего элемента; оребренная защитная оболочка, предохраняющая стеклопластик от внешних воздействий и формирующая необходимую длину утечки; металлические оконцеватели. Электрическая прочность анизотропного стеклопластика в основном определяется физико-химическими свойствами эпоксидных смол как связующего материала. Данные по характеристикам пробоя для стеклопластиковых труб и стержней различаются, и они немногочисленны [9]. В трубах возможно проникновение влаги внутрь, что может приводить к пробою по внутренней поверхности трубы. Защитные оболочки изготавливаются на основе кремний-органической резины (силиконовый каучук); они состоят из отдельных ребер, герметически соединенных между собой и другими элементами посредством силиконовых компаундов.
Наиболее уязвимыми местами ПИ являются: поверхностный пробой (перекрытие) вдоль внешней поверхности оболочки вследствие ее загрязненности и увлажнения, эрозии и других повреждений; пробой вдоль границы раздела стержня (трубы) и оболочки вследствие образования дендритов на соприкасающихся поверхностях, что является следствием плохой адгезии оболочки; пробой по границе раздела металлической арматуры и оболочки вследствие недостаточной герметичности или разрыва оболочки.
С учетом результатов ранее выполненных исследований наиболее объективными и достоверными диагностическими дистанционными методами контроля рабочего состояния ПИ, находящихся в эксплуатации, считаются [10]: тепловизионная (инфракрасная) дефектоскопия (измерение локальных температурных градиентов), электрическая, электромагнитная и акустическая дефектоскопия (измерение параметров ЧР).
Каждый их этих методов имеет определенные достоинства: тепловизионный и акустический способы позволяют с достаточной точностью, до нескольких сантиметров, определять место дефекта, а электрический и электромагнитный способ - как более чувствительные - определять уже на ранней стадии степень повреждения изоляторов.
В настоящее время отсутствует общепризнанная методика по оценке работоспособности ПИ. Сложным моментом в диагностике рабочего состояния ПИ является оценка остаточного ресурса по электрической и механической прочности. Для этих целей наиболее перспективным признан метод анализа параметров ЧР, в который входят интенсивность (кажущийся заряд), частота следования, спектральный состав сигналов ЧР. Наиболее информативным является анализ параметров электромагнитных импульсов ЧР с учетом при этом фазового распределения сигналов в сетях переменного тока, поскольку попытки использования результатов подобного анализа отдельных сигналов ЧР без привязки к фазе сети пока не дали достоверных результатов по оценке рабочего состояния и остаточного ресурса изоляторов [11]. Причиной тому является стохастический (случайный) характер самих ЧР, т.е. параметры сильно изменяются во времени и не коррелируют между собой. Поэтому наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых
импульсов, а средние значения параметров ЧР и формы их распределений по амплитуде и частоте повторения относительно фазы приложенного напряжения. Они могут быть представлены в виде амплитудно-фазовых диаграмм (АФД) и частотно-фазовых диаграмм (ЧФД).
В данной работе на основе разработанной системы для детектирования ЧР, последующего их накопления и анализа представлены особенности ЧР, зарегистрированных с помощью различных датчиков в ПИ, находящихся под напряжением, и их связь с состоянием ПИ.
Структурная схема системы для изучения параметров ЧР показана на рис.1. Регулируемое высоковольтное переменное напряжение создавалось установкой УКД-70. Напряжение к изолятору прикладывалось как между оконцевателями, так и между одним из оконцевателей и специальным электродом, закрепленным между ребрами изолятора. Импульсные сигналы от исследуемых образцов ПИ регистрировались как контактным датчиком, так и бесконтактно, с помощью активной антенны и акустического датчика. Использование различных типов датчиков позволило выделить сигналы ЧР из электромагнитных помех, детектируемых с помощью антенны. Сигналы с датчиков подавались на двухканальных осциллограф TDS 1002 и в компьютер с помощью платы АЦП. Входящие данные обрабатывались с помощью виртуальных приборов, созданных в среде LabView. Виртуальный прибор записывает данные (либо с электромагнитного или контактного датчика) и синхронизирующий сигнал сетевого напряжения. Программа обеспечивает запись порядка 900 периодов сетевого напряжения в течение 18 секунд, сохраняя данные в виде двух массивов: непосредственно массив с сигналами ЧР и массив синхронизирующего сетевого переменного напряжения. После записи массивов данных для всех изоляторов, участвующих в измерении, запускается программа обработки данных. В программе обработки реализован принцип амплитудно-фазовой регистрации ЧР: регистрируется каждый разряд, его амплитуда и фаза возникновения. В начале работы необходимо задать шаг приращения амплитуды. Программа разбивает сигнал с датчиков на отдельные периоды, синхронизируя их с периодом питающего сетевого напряжения 50 Гц. Результатом работы программы является массив данных, в котором каждому периоду соответствует подмассив с амплитудой и фазой возникновения каждого ЧР. В дальнейшем эти данные используются для построения фазовых диаграмм распределения ЧР.
Рис. 1. Структурная схема системы для измерения и анализа ЧР
Для калибровки входных сигналов ЧР по интенсивности (кажущемуся заряду) использовались радиочастотные импульсы от дополнительного генератора, позволяющего изменять длительность и форму высокочастотных импульсов в соответствии с требованиями ГОСТ 10390-86.
Проведенные эксперименты показали соответствие ЧР, измеряемых различными датчиками, по фазе возникновения и амплитуде импульса. Далее с
помощью компьютера и виртуальных проборов, разработанных в среде ЬаЬУ1ею, производилось накопление и обработка сигналов ЧР. Разработанная система регистрации ЧР состоит из двух программ: программы записи массива данных и программы обработки и представления результатов измерения.
На рис. 2 представлена АФД для ПИ, на которой каждый сигнал ЧР представлен своей точкой. Однако при большем накоплении сигналов ЧР за длительный период измерений наиболее предпочтительным является представление в виде обобщенной АФД (распределение количества ЧР в зависимости от их амплитуды, выраженной в относительных единицах, и фазы возникновения) (рис. 3, а), и соответствующей ей ЧФД (рис. 3, б).
м-
1,3 т 1,2 ^ 1,1 -: 1 т
Э 0,9-.
I °'7
| 0,6 1= :
< 0,5
0,1 т
0,3
0,2
0,1 т
0-
■щр
20 40 60
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 _Фаза_
Рис. 2. Точечная фазовая диаграмма зависимости интенсивности и числа ЧР от фазы
приложенного напряжения
Кол-во 250
11 а
0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 160-180 180-200 200-220 220-240 240-260 260-280 280-300 300-320320-340 340-360
б)
Рис. 3. Амплитудно-фазовая диаграмма ЧР (а), частотно-фазовая диаграмма ЧР (б)
На первом этапе наших исследований были изучены две группы стержневых подвесных ПИ ЛК70-35, находившихся в эксплуатации и не имевших каких-либо внешних повреждений (группа 1). Для изучения параметров ЧР от наиболее часто наблюдавшихся (типичных) повреждений ПИ были произведены различные повреждения кремнийорганической оболочки стержня в виде надрезов юбок, а также полного удаления некоторых из них. Для создания необходимого перенапряжения использовалась уже ранее применявшаяся при испытаниях ПИ методика, при которой переменное напряжение прикладывалось между верхним (или нижним) электродом и специальным кольцевым электродом, закрепленным между определенными ребрами.
Усреднение характеристик ЧР по периодам напряжения позволило выделить определенную связь их параметров с дефектами ПИ. Возникновение ЧР предшествует процессам электрического пробоя на дефектах. ЧР для первой группы ПИ возникают только при значительных перенапряжениях ( ^нягчр ~2,5-
3 ином); для второй группы - при инагЧР ~1,3-1,5 ином; для третьей группы -
при инагЧР ~0,8-1,0 ином и имеют пороговый характер.
Интенсивность ЧР (#) для первой группы ПИ имеет два характерных диапазона: 20-50 пКл и 70-100 пКл. Значение q и частота повторения п - более значительно возрастали с ростом перенапряжения. Фазовое распределение q и п смещалось с ростом перенапряжения.
Динамика ЧР для дефектных изоляторов значительно отличалась от бездефектных образцов. Во-первых, в них стали возникать ЧР с интенсивностью до 100-200 пКл и частотой повторения до десятков за период напряжения. Во-вторых, при номинальном напряжении (ином) наблюдалось уширение области фазовых углов генерации ЧР, особенно большой интенсивности. В третьих, наблюдалось возникновение значительно более мощных ЧР с интенсивностью до 5-10 пКл и интервалами повторения от нескольких секунд до минут.
Выводы
Проведенные предварительные эксперименты показали, что разработанный измерительный комплекс и компьютерная система анализа параметров ЧР позволяет проводить измерения и накопления сигналов ЧР в течение многих периодов переменного напряжения. Анализ АФД и ЧФД позволяет установить места дефектов и связать основные характеристики ЧР с видами повреждений
изоляторов, при накоплении экспериментальных данных по каждому виду изоляторов - определять их работоспособность. В этом плане наиболее важными характеристиками сигналов ЧР являются: напряжение начала возникновения ЧР, фазовая область генерации ЧР, их интенсивность и частота повторения.
При исследовании рабочего состояния ПИ, находящихся в эксплуатации, наиболее целесообразно измерение таких параметров ЧР, как кажущийся заряд и число ЧР в зависимости от фазы переменного напряжения, а также накопление этих данных за каждые 10-20 минут и анализ через временные интервалы от нескольких часов до нескольких месяцев.
Summary
The results from an experimental study of partial discharges peculiarities occurring due in polymeric isolators are presented. Dependences of partial discharge parameters (intensity, number of discharges and this phase distribution )on the working state established.
Key words: polymer insulator, partial discharges, defects, test, high voltage, diagnostic system.
Литература
1. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1994.
2. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и дотационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург: ИЭФ РАН, 2000.
3. Wu K. Suzuoki Y, Dissado L.A. The contribution of discharge area variation to partial discharge pattern in disk voids. J. Phys D. Appl.Phys. 2004. v 37, №7. p 18151823.
4. Куперштох А.Л., Стамателатос, С.П. Агорис Д.П. Моделирование частичных разрядов в твердых диэлектриках при переменном напряжении // Письма в ЖТФ. 2006. 32 вып. 15. С.74-80.
5.Слуцкер А.И., Поликарпов Ю.И., Галяров В.Л. Об элементарных актах в кинетике электрического разрушения полимеров // ЖТФ. 2006. Т.76. Вып.12. С.52-56.
6. Paoletti P.E., Golubev A. Partial discharge theory avd applications to electrical equipment. Tappi conference 1999, p.23-46.
7. Носков М.Д., Малиновский А.С., Закк М., Шваб А. Моделирование роста дендритов и частичных разрядов в эпоксидной смоле II // ЖТФ. 2002. Э2. Вып.2. С. 121-128.
8. Гайворонский А.С. Опорные полимерные изоляторы: опыт разработки, эксплуатации и диагностирования / ХХХ111 «Научно-практический семинар по диагностике», май 2009. Казань.
9. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. Москва: Энергоатомиздат, 1992.
10. Куценко С.М., Климов Н.Н., Муратов В.И. Характеристики частичных разрядов в изоляторах из фарфора и поликарбоната / 7-ой ежегодный семинар «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного оборудования». 2-3 марта 2010 г. Пермь.
Поступила в редакцию 23 апреля 2010 г.
Голенищев-Кутузов Александр Вадимович - д-р физ-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78.
Голенищев-Кутузов Вадим Алексеевич - д-р физ-мат. наук, профессор кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78.
Губаев Дамир Фатыхович - начальник службы высоковольтных линий и подстанций ОАО «Сетевая компания».
Черномашенцев Антон Юрьевич - аспирант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78.
Евдокимов Леонид Иванович - магистрант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78.
