Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы контроля состояния изоляции по характеристикам ЧР 12
1.1. Понятие о частичных разрядах 12
1.2. Частичные разряды на дефектах в изоляции 16
1.3. Методы регистрации ЧР 21
1.4. Основные характеристики частичных разрядов 27
1.5. Устройства для регистрации ЧР и контроля изоляции по характеристикам ЧР . 32
1.6. Измерения ЧР при помощи компьютера 37
Глава 2. Разработка информационно-измерительной системы измерения характеристик ЧР 43
2.1. Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР изоляторов 43
2.2. Измерительный индукционный датчик ... 47
2.3. Разработка устройства для амплитудно-фазовой регистрации частичных разрядов 51
2.4. Алгоритм микроконтроллерного управления 54
2.5. Схемотехника устройства РЧР-1 59
2.6. Программное обеспечение измерений 66
2.7. Характеристики частичных разрядов 70
Глава 3. Разработка измерительного стенда для проведения испытаний на пробой модельных образцов из электротехнического фарфора 77
3.1. Конфигурации разрядной ячейки..., 77
3.2. Процессы электрического пробоя воздушного промежутка 79
3.3. Стенд для исследования пробоя модельных образцов 84
Глава 4. Экспериментальная часть: исследование характеристик ЧР 88
4.1. Измерение характеристик ЧР модельных образцов 88
4.2. Амплитудно-фазовые характеристики ЧР модельных образцов 91
4.3. Измерения сигналов ЧР реального ОСИ. 94
4.4. Интерпретация состояния изолятора по характеристикам ЧР 96
Заключение 103
Список литературы
- Частичные разряды на дефектах в изоляции
- Измерительный индукционный датчик
- Процессы электрического пробоя воздушного промежутка
- Амплитудно-фазовые характеристики ЧР модельных образцов
Введение к работе
Главным объектом диагностического внимания и общим для всех высоковольтных электротехнических аппаратов является электрическая изоляция. При длительном воздействии эксплуатационных факторов в изоляционных элементах могут возникать дефекты, электрофизические и/или механические характеристики которых будут отличаться от таковых для нормального состояния диэлектриков. Серьезные дефекты изоляции обычно обнаруживаются на стадии приемо-сдаточных высоковольтных испытаний и испытаний на месте монтажа. Если оборудование прошло эти испытания, то необнаруженные или не проявившиеся при их проведении дефекты изоляции, не приводят к полному пробою изоляции в нормальных рабочих условиях. Однако, при дальнейшей эксплуатации оборудования, эти дефекты развиваются и растут. Их рост обусловлен появлением сравнительно небольших электрических разрядов в зоне повышенной напряженности поля вблизи дефекта, которые называют частичными разрядами (ЧР). Под действием ЧР начинается разрушение изоляции, размер дефектной области и интенсивность разрядов увеличиваются. Когда дефектная зона достигает достаточно больших размеров, становится возможным сквозной пробой изоляции. Как правило, при отсутствии экстремальных воздействий, процесс развития дефекта от зародышевой стадии до полного пробоя длится от нескольких месяцев до нескольких лет. Таким образом, появление частичных разрядов свидетельствует о наличии дефекта изоляции, причем ЧР достигают обнаружимого уровня уже на самой ранней стадии развития дефекта.
Основная цель диагностического контроля - на основе определения состояния изоляции максимально использовать фактический ресурс оборудования и предотвратить аварийный отказ оборудования. Своевременное выявление дефектов в изоляции без отключения питающего напряжения позволяет выполнять диагностику высоковольтного оборудования, обеспечивая как
5 слежение за ресурсом изоляции, так и позволяя решать вопрос о продлении ее срока службы. Оперативная диагностика предполагает использование не-разрушающих методов контроля, т.е. методов, не приводящих к расходованию ресурса, и осуществляется одновременно с выполнением изоляции основных своих функций.
Измерение ЧР может проводиться в процессе нормальной работы оборудования без вывода его из эксплуатации и широко применяется для оценки состояния электрической изоляции высоковольтного оборудования [1-11]. Обнаружение частичных разрядов является мощным средством для тестирования высоковольтного оборудования, как в лабораторных условиях, так и на реальных промышленных объектах. Особенно широко диагностика на частичные разряды развита за рубежом, где используется большой диапазон применяемых методов и средств, начиная с контактных методов измерения ЧР и заканчивая регистрацией электромагнитных волн. Методы регистрации частичных разрядов могут быть использованы как для оперативной диагностики, так и для мониторинга состояния изоляции. В настоящее время метод ЧР нашел реальное применение только для контроля дефектности изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов, изоляции электрических машин и изоляции высоковольтных кабелей, для которых, как правило, характерен только один вид электрического пробоя. В то же время существующие методы контроля по ЧР не решают вопроса о контроле дефектов опорных и проходных высоковольтных изоляторов.
Наиболее подвержены разрушающему воздействию ЧР опорно-стержневые изоляторы (ОСИ), которые являются основными изолирующими элементами в высоковольтных коммутационных аппаратах. Постепенное развитие механических дефектов высоковольтного изолятора в критическом случае приводит к его повреждению и, как следствие, к аварийному отключению энергосистемы и крупным экономическим потерям. Контроль состояния изоляторов опорно-стержневого типа сопряжен с рядом сложностей. Во-
6 первых, необходимость определения дефектных состояний ОСИ, находящихся в высоковольтных установках под рабочим напряжением, требует применения бесконтактных методов. В рекомендациях семинара, проводимого РАО ЕС в октябре 1999 г, [12] предлагается уделить особое внимание бесконтактным методам, позволяющим выявлять хотя бы часть дефектных ОСИ на неотключенном оборудовании. Метод измерения сигналов частичных разрядов позволяет осуществлять диагностику состояния изоляторов без отключения рабочего напряжения. Во-вторых, опорно-стержневые изоляторы часто располагаются на открытой местности и подвергаются сильному воздействию неблагоприятных условий окружающей среды: температурным перепадам, воздействию повышенной влажности, загрязнению поверхности и т.д. Кроме того, электрический пробой в ОСИ может возникать как на внутренних дефектах, так и по поверхности изолятора.
Сложный характер пробоя ОСИ показывает, что для того, чтобы по частичным разрядам судить о таких параметрах, как величина дефектов, тип дефектов, состояние поверхности и т.д. необходимо в первую очередь идентифицировать частичные разряды, т.е. выделить их среди других видов пробоя, а также провести анализ основных характеристик частичных разрядов. Необходимость поиска критериев дефектного состояния изоляторов требует сохранения результатов измерений ЧР в пополняющийся банк данных для постепенного накопления данных и выработки на их базе теоретических моделей и статистических зависимостей. Выполнение всех этих задач немыслимо без применения компьютерной обработки данных. В связи с этим в области контроля состояния ОСИ существует практическая потребность в разработке эффективных информационно-измерительных систем измерения частичных разрядов и последующего анализа их характеристик.
Поскольку в начале нашей работы столь сложная проблема как контроль рабочего состояния реальных ОСИ по характеристикам частичных разрядов была далека от разрешения, то было необходимо сначала решить зада-
і*
чу определения дефектности модельных образцов диэлектрических материалов, используемых в ОСИ, и только на последующем этапе перейти к изучению дефектного состояния реальных ОСИ. Таким образом, задача разработки информационно-измерительной системы измерения характеристик частичных разрядов с целью контроля дефектных состояний ОСИ, является акту-альной.
Цель работы — разработка физических принципов определения дефектов в изоляционных элементах высоковольтного оборудования методом частичных разрядов и разработка компьютерной информационно-измерительной системы для измерения и анализа комплекса характеристик частичных разрядов.
Основные задачи:
Разработать физические принципы компьютерного анализа частичных разрядов и их сопоставления со степенью дефектности изоляторов.
Разработать компьютерное информационно-измерительное устройство для измерения, хранения и анализа характеристик ЧР.
Разработать экспериментальный стенд для измерения характеристик ЧР модельных образцов диэлектрических материалов, находящихся под напряжением.
Провести измерения характеристик ЧР модельных образцов при различных видах электрического пробоя и конфигурациях поля.
5. Выполнить анализ эффективности использования различных харак-
л теристик ЧР для определения дефектных состояний высоковольтных изоля-
торов.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработана электронная информационно-измерительная система для контроля состояния диэлектрических материалов и изоляторов по характеристикам частичных разрядов.
Разработаны алгоритмы построения некоторых новых фазовых зависимостей по данным амплитудно-фазовых характеристик частичных разрядов, более наглядно представляющие информацию о состоянии изоляторов.
Исследовано поведение амплитудных, амплитудно-фазовых и энергетических характеристик частичных разрядов при различных видах электрического пробоя модельных образцов из электротехнического фарфора и показана их связь с характером дефектов и приложенным напряжением.
Практическая ценность работы. Разработанная компьютерная система измерения характеристик ЧР может быть применена в сфере оперативной диагностики состояния изоляторов и особенно ОСИ службами контроля и технического обслуживания. Построение базы данных характеристик ЧР можно проводить, разделяя их по номинальному напряжению, типу изолятора, внешним погодным условиям работы. Постоянное накопление характеристик ЧР позволит в дальнейшем выделить основные статистические параметры, позволяющие с большой степенью уверенности идентифицировать наличие различного вида дефектов в работающих изоляторах.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Разработанная компьютерная информационно-измерительная систе
ма позволяет регистрировать, хранить и обрабатывать различные характери
стики ЧР.
2. Применение совокупности амплитудных, амплитудно-фазовых и
энергетических диаграмм ЧР, а также различных фазовых характеристик и
интегральных параметров ЧР позволяет диагностировать наличие опреде
ленного вида дефектов, степень их развития и тем самым устанавливать ха
рактеристики рабочего состояния изоляторов.
3. Амплитудные, амплитудно-фазовые и энергетические характеристи
ки частичных разрядов при различных видах электрического пробоя корре
лируют с размерами дефектов и приложенным напряжением.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, приложений. Основная часть изложена на Ї38 страницах, включая текст и рисунки.
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проведенных разработок и исследований, формулируется цель исследований.
В первой главе «Методы контроля состояния изоляции по характеристикам ЧР» рассмотрены физические явления процессов частичных разрядов на базе эквивалентной схемы замещения и приводятся основные характеристики частичных разрядов согласно ГОСТ 20074-83. Описаны процессы возникновения и погасания ЧР при переменном питающем напряжении, а также характер ЧР на основных типах дефектов в изоляции. Рассматриваются физические явления, которыми сопровождаются процессы ЧР, позволяющие их регистрировать. Дан сравнительный обзор существующих в настоящее время методов и аппаратуры для регистрации ЧР. Уделено особое внимание современному состоянию вопроса компьютерной регистрации ЧР. Анализируются основные требования, которым должна удовлетворять система измерения ЧР, а также проблематика измерений сигналов ЧР на дефектах в изоляции, и особенно в изоляторах опорно-стержневого типа.
Во второй главе «Разработка информационно-измерительной системы измерения характеристик ЧР» приведены основные положения разработанной компьютерной системы измерения ЧР для контроля состояния опорно-стержневых изоляторов высоковольтной аппаратуры. Подробно рассмотрен принцип амплитудно-фазового преобразования измеряемых сигналов. Приведено функциональное и схемотехническое описание разработанного электронного устройства РЧР-І для амплитуд но-фазовой регистрации ЧР. Описываются этапы разработки аппаратных и программных компонентов устройства РЧР-1, приведена блок-схема алгоритма функционирования РЧР-1. Разъясняется алгоритм работы разработанного программного обеспечения
для сбора и анализа данных о ЧР. В главе рассматриваются различные формы представления данных о ЧР для их эффективного и удобного анализа и интерпретации
В третьей главе «Разработка измерительного стенда для проведения испытаний на пробой модельных образцов из электротехнического фарфора» рассмотрена общая структура построения лабораторной экспериментальной системы для измерения характеристик ЧР при помощи разработанной системы в модели разрядной ячейки. Описано построение различных конфигураций разрядной ячейки, моделирующих нормальные и дефектные состояния модельных образцов из электротехнического фарфора при различных типах пробоя. Рассмотрены физические принципы развития процессов пробоя в воздушной полости между электродами разрядной ячейки.
В четвертой главе «Экспериментальная часть: исследование характеристик ЧР» приведены результаты измерений характеристик ЧР при пробое внутри и по поверхности модельных фарфоровых образцов. Проведен анализ амплитудно-фазовых характеристик ЧР модельных образцов в различных режимах измерений. Глава включает в себя информацию по измерению сигналов ЧР реальных ОСИ и сравнение полученных данных с АФХ модельных образцов, а также их перенос на реальные фарфоровые изоляторы, находящиеся под рабочим напряжением. Проведен анализ связи полученных характеристик ЧР с дефектными состояниями модельных образцов.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Приложение содержит временные диаграммы работы и принципиальную электрическую схему блока регистрации, табличные данные характеристик ЧР модельных образцов, энергетические и амплитудные характеристики ЧР при различных напряжениях и конфигурациях системы электродов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
II обсуждались на VII международной конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 24-25 апреля 2001 г), XX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Екатеринбург, 15-16 мая, 2001г.), Российском национальном симпозиуме по энергетике РНСЭ (Казань, 10-14 сентября 2001г.), XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 20-22 мая 2003 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9 научных публикациях, включая: 3 журнальные статьи [13-15], 2 статьи в материалах международных конференций [16, 17], 1 статья в материалах Всероссийской конференции [18], 1 статья в региональной конференции [19] и 2 тезиса в материалах докладов научных и научно-технических конференций [20, 21].
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору КГЭУ Александру Вадимовичу Голенищеву-Кутоузову за научное руководство, ценные советы, практическую поддержку разработок и экспериментов; Вадиму Алексеевичу Голенищеву-Кутузову профессору КГЭУ за критический просмотр рукописи и неоценимую помощь в написании диссертационной работы, Евгению Ивановичу Прохорову руководителю отдела электроники НПФ ЭлеПС за практическую помощь в разработке электронных узлов, Сергею Леонидовичу Борисову старшему инженеру НПФ ЭлеПС за полезные замечания при разработке электронных узлов.
Частичные разряды на дефектах в изоляции
К настоящему времени достаточно разработаны типовые методы для испытания на электрическую прочность различных диэлектрических сред и твердых изоляционных материалов, позволяющие сопоставлять данные по электрической прочности, полученные в различных лабораториях. В нашей стране нормативными документами в этой области являются ГОСТы, ОСТы, нормали и т.д. [26-31]. Однако во всех рекомендуемых методах испытаний рассматривается только электрический пробой как следствие наличия тех или иных дефектов. В то же время, как отмечается в рекомендации семинара, проводимого РАО ЕС в октябре 1999 г. [12] более 80% всех нарушений работы высоковольтных изоляторов происходит за счет механических разрушений, а не электрического пробоя. Появление частичных разрядов свидетельствует о наличии механического дефекта изоляции, причем ЧР достигают обнаружимого уровня уже на ранней стадии развития дефекта.
Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела "электрод-диэлектрик" Они возникают в процессе изготовления электроизоляционной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе эксплуатации, например в результате вибрации или механических напряжений. Наличие пор и связанное с ними возникновение ионизационных явлений является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, так называемого старения диэлектриков. Первичные повреждения снижают электрическую и механическую прочность изоляции. К первичным повреждениям или дефектам относятся сколы и трещины на поверхностях, разветвленные внутренние трещины — дендриты, микроскопические нарушения сплошности структуры (поры, вкрапления инородных элементов), выступы на электродах, а также нарушения плотного контакта между электродами и диэлектрическими элементами. На первичных дефектах вследствие изменения диэлектрических свойств или электрической проводимости может возникать повышение (или понижение) напряженности электрического поля, которое впоследствии и будет являться причиной электрического пробоя. На возникновение первичных повреждений, как и на электрический пробой, влияют внешние статические или динамические нагрузки, увеличивая размеры микротрещин и других дефектов структуры диэлектрических элементов. При определенных значениях приложенного электрического поля в области микродефектов за счет локального повышения поля, могут возникать частичные разряды.
Старение диэлектриков - ухудшение характеристик диэлектриков при их эксплуатации. В ряде случаев тепловое старение может превалировать. Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетических установках и устройствах на диэлектрики действуют переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают ЧР. Каждый разряд оказывает воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность ЧР зависит от напряженности поля. Поскольку разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, поэтому с течением времени их действие нарастает. Это ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и, в конце концов, к зарождению дендрита.
Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика (рис. 1.3). Канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10-20 мкм. Дендриты возникают от дефектов внутри изоляции [10, 32]. Разряды на дендритах очень нестабильны и могут расти очень быстро, причем ЧР на таких дефектах могут не проявляться в течение длительного периода: часов, неделей и даже нескольких лет, в завис и мости от величины приложенного напряжения. Когда дендрит образуется, разряды становятся видимыми и растут так быстро, что могут вызвать пробой изоляции в экстремально короткий период времени, иногда за секунды и минуты. Дендриты являются очень опасным видом дефектов в ОСИ.
Поверхностные разряды могут возникать, если существуют дефекты параллельно поверхности диэлектрика. Частичные разряды по поверхности ОСИ являются одним из самых распространенных и интенсивных типов разряда в ОСИ [30, 33, 34]. Это вызвано тем, что в ОСИ преобладает тангенциальная составляющая электрического поля источника напряжения. Эта составляющая направлена вдоль по поверхности ОСИ. Поэтому всевозможные трещины, сколы и пустоты на поверхности ОСИ принимают активное участие в процессах ЧР. Отказы ОСИ в результате разрушения из-за поверхностных ЧР составляют существенную долю отказов. Кроме того, на процессы ЧР на дефектах изоляторов сильно влияют внешние условия. Интенсивность ЧР зависит от состояния поверхности ОСИ. Наличие загрязнений и пленок влаги на поверхности ОСИ обычно приводит к ускорению процессов разрушения изоляторов за счет повышенной напряженности электрического поля в области частичных разрядов.
Измерительный индукционный датчик
На стадии выбора типа чувствительного элемента для детектирования ЧР использовались различные датчики: акустический, электромагнитный и индукционный. Проведен анализ принимаемых датчиками импульсов ЧР на экспериментальном стенде. Контроль производился при помощи осциллографа. При визуальном анализе ЧР не было обнаружено значительных различий в сигналах, полученных от различных датчиков. Однако при разработке компьютерного устройства учитывались такие характеристики датчиков, как отношение сигнал/шум, полоса пропускания и минимум собственных шумов. Анализ показал, что наиболее эффективным для детектирования ЧР является индукционный датчик, который отличается минимальным уровнем шумов по сравнению с акустическим и электромагнитным датчиками. Сигналы ЧР, полученные от малогабаритного индукционного датчика содержали полезный сигнал, практически свободный от помех; при этом не были обнаружены высокочастотные помехи, но регистрировалась слабая низкочастотная составляющая промышленной частоты.
Принцип работы индукционного датчика основан на эффекте электро 48 магнитной индукции, возникающей в электрическом контуре при изменении магнитного поля. В конструктивном плане датчик представляет собой катушку с несколькими витками тонкого медного провода. Электродвижущая сила на выходе индукционного датчика, пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пересекающего витка катушки, она определяется выражением: Е = -d/dt (р WSBsina), (2.2) где ц - эффективная магнитная проницаемость, S — площадь витка катушки, W — число витков катушки, В — индукция воздействующего поля, а -угол между вектором магнитной индукции и плоскостью витка катушки. Выходная ЭДС является функцией изменения любого параметра во времени. В нашем случае все они остаются постоянными, кроме В - такой метод преобразования называется пассивным. Из уравнения (2.2) следует, что пассивный индукционный датчик не чувствителен к постоянным магнитным полям. При изменении магнитной индукции В по синусоидальному закону: е = W\LS (dBx sin ш/dt) = W\iSBx cos cof. (2.3)
Для восстановления фазы выходного сигнала, сдвинутого на 90, следует применить операцию интегрирования. Произведение Wy.S есть коэффициент преобразования, зависящий только от конструктивных характеристик преобразователя. С укорочением длины сердечника при сохранении его диаметра коэффициент преобразования уменьшается. Стабильность коэффициента преобразования зависит от стабильности свойств сердечника, поэтому необходимо учитывать изменение магнитной проницаемости от температуры, частоты и изменения магнитного поля, величины постоянного поля. Эффективная проницаемость и. сердечника зависит от отношения его диаметра к длине, или, другими словами, от коэффициента размагничивания D. В используемом для измерений датчике сердечника нет, поэтому эффективная относительная магнитная проницаемость ц. = 1. Уровень собственного шума индукционного датчика обязан тепловым шумам в омическом сопротивлении катушки rmi он вычисляется по известному соотношению: ет = (4кТгтМ?)ш, (2.4) где к — постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, AF - полоса пропускания. При полосе AF = 1000 кГц и сопротивлении обмотки датчика rm = 20 Ом ет « 0,5 мкВ. Такой низкий уровень шумов достигнут за счет малого количества витков, измерения показали, что при этом сохраняется хорошая чувствительность к импульсам ЧР. Спектральная плотность флюктуации магнитного поля, эквивалентных тепловых шумам индукционного датчика, с учетом того факта, что ЭДС, индуктируемая в катушке, пропорциональна частоте, определяется из выражения: Sb = 4кТ(гт)!/2/(а W\iS (2.5)
Для измерений применялся датчик без сердечника, содержащий 34 витка медного провода диаметром 0,3 мм2 при суммарной площади сечения S=6,4xl О"4 м2 и сопротивлении гт — 20 Ом. Тогда спектральная плотность шума, связанная с тепловыми шумами при комнатной температуре, составит 1ГУ І ГУ всего 0,02пТл-Гц" при частоте 1000 кГц и 20 пТл-Гц" при частоте 1 кГц. Обычно снижение шума индукционного датчика достигается введением фер-ритового сердечника или другого материала с высокой магнитной проницаемостью при одновременном уменьшении числа витков для снижения активного сопротивления потерь в проводе. В рассматриваемом случае уровень шумов низок, а спектральная плотность шумов в рабочем диапазоне частот имеет ничтожно малое значение, поэтому необходимости в принятии подобных мер нет. Кроме того, потенциальные возможности индукционного датчика с сердечником ограничиваются фактором размагничивания.
Процессы электрического пробоя воздушного промежутка
На базе разработанного метода компьютерной регистрации характеристик ЧР был создан измерительный стенд для исследования ЧР в образцах из электротехнического фарфора [15], который является одним из основных материалов, из которых изготавливается широкий спектр изоляторов опорного и проходного типа. 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 позволят определить основные параметры ЧР электротехнического фарфора и сформировать теоретическую и экспериментальную базу для контроля изоляторов из фарфора в рабочих установках.
Регистрация данных о ЧР осуществляется при помощи измерительного стенда [14]. Сутью методики регистрации ЧР является амплитудно-фазовое детектирование импульсов тока, вызываемых ЧР в заземляющем проводе разрядной ячейки электродной системы, при помощи электронного регистратора частичных разрядов РЧР-1 [13,16-21],
Для моделирования целого и дефектного изоляторов создана измерительная ячейка экспериментальной установки. Система электродов ячейки состоит из острого стержневого электрода с наконечником из стального шарика (диаметр 4 мм) и плоского электрода. Возможны две конфигурации в расположении электродов относительно исследуемого диэлектрика: вертикальная для исследования пробоя газового промежутка между электродами (рис. 3.1а) и горизонтальная для исследования пробоя по поверхности диэлектрика (рис. 3.16).
Модельные образцы фарфорового диэлектрика вырезаны из электротехнического фарфора в виде прямоугольных пластин размером 30x50 мм и толщиной 2мм. Пластина образца помещается между электродами. Для моделирования цельного изолятора шариковый и плоский электроды плотно прижаты к образцу, разряд происходит внутри твердого фарфорового диэлектрика при значительных величинах приложенного напряжения. В случае дефектного изолятора между шариковым электродом и пластиной из фарфора создается воздушный промежуток, моделирующий трещины и сколы внутри проходного изолятора. В случае исследования эффекта поверхностного пробоя оба электрода располагаются на одной поверхности образца в разных сторонах прямоугольника модельной пластины. Моделью дефекта в этом случае служит разлом пластины, соединяющей электроды с небольшим воздушным промежутком между разломанными частями.
Рассмотрим физические явления, возникающие при пробое воздушного промежутка. В основе механизма пробоя газов лежит процесс ударной ионизации, обусловленный свободными электронами, которые, будучи разогнаны в электрическом поле, ионизуют при соударении нейтральные молекулы газа. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который так же может ионизовать, и процесс приобретает лавинный характер. При ионизации образуются не только электроны, но и положительные ионы, обладающие малой по сравнению с электронами подвижностью, поэтому по мере движения лавины к аноду в ней происходит процесс разделения зарядов. Электроны уходят на анод, а положительные ионы, подходя к катоду, создают там новые электроны за счет вторичной ионизации. Эти вторичные электроны также могут создавать лавины.
Развитие пробоя зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой газа. В однородном поле пробой наступает практически мгновенно по достижении определенного напряжения. Ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Между электродами возникает искра, которая при достаточной мощности источника напряжения может перейти в электрическую дугу. Для газов установлен закон Пашена: при неизменной температуре пробивное напряжение газа зависит от произведения его давления р (атм.) на расстояние d между электродами [107]:
Амплитудно-фазовые характеристики ЧР модельных образцов
На рис.4.5 приведены временные диаграммы импульсов ЧР, измеренных при одинаковом напряжении для изоляторов с разной степенью дефектности. Импульсы ЧР наблюдаются на фоне синусоидальной составляющей питающего напряжения. Если сравнить фазовое расположение импульсов ЧР относительно синусоиды питающего напряжения при прямом измерении сигналов ЧР реального ОСИ (рис.4.5) и АФХ модельных образцов в разработанном методе регистрации (рис.4.4), то можно сделать вывод об их идентичности. И в том и в другом случае фазовое расположение серии импульсов ЧР соответствует второму квадранту. Такое положение вызвано смещением фазы регистрируемого сигнала вперед на 90 за счет индуктивности датчика, причем на АФХ это смещение устраняется программно (рис.4.4), в то время, как при прямом измерении ЧР такое преобразование невозможно. Схожий характер фазового расположения импульсов ЧР свидетельствует также о правильной работе измерительного тракта разработанной системы регистрации характеристик ЧР.
При анализе измеренных прямым способом сигналов ЧР следует обратить внимание на преобладание частичных разрядов в области положительной полуволны питающего напряжения (рис.4.5), что позволяет сделать вывод о том, что реальный опорно-стержневой изолятор по характеристикам эквивалентен модели несимметричной системы электродов измерительного стенда.
Таким образом, из приведенных данных следует: -импульсы ЧР реального ОСИ идентичны импульсам ЧР при пробое модельных образцов; - достоверность метода АФХ подтверждена прямыми измерениями.
Интерпретация состояния изолятора по характеристикам ЧР Рассмотрим динамику изменения параметров ЧР при пробое внутри модельного образца по характеристикам зависимости энергии ЧР от величи 97 ны приложенного напряжения W(U) и средней за период энергии Ws (JJ). Характеристики W{U)wWs (U) приведены на рисунках в ПРИЛОЖЕНИИ 4, где все точки экспериментальных аппроксимированы по методу наименьших квадратов полиномами четвертой степени.
Для ЧР принята классификация по значению кажущегося заряда, которое хорошо связано с физическим механизмом развития разрядов.
При постепенном повышении напряжения при некотором значении напряжения в изоляторе начинается ЧР слабой интенсивности. При выдержке напряжения в течение нескольких минут эти частичные разряды могут прекратиться на некоторый промежуток времени и появиться вновь. При понижении напряжения до величины, близкой к напряжению возникновения ЧР, эти процессы прекращаются. Особенность этого вида ЧР, называемых начальными, (интенсивность до 10 — 10" Кл) 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. Развитие таких разрядов, каждый из которых содержит порядка 106 электронов, сопровождается излучением, по интенсивности жестко связанным с самим разрядом.
При дальнейшем повышении напряжения до определенного порога в ряде случаев в изоляционных конструкциях интенсивность ЧР резко возрастает, причем, прежде всего, возрастает кажущийся заряд единичного ЧР. Это может произойти вследствие изменения физики развития ЧР (например, переход коронного разряда в скользящий разряд по поверхности диэлектрика), либо в результате изменения в структуре диэлектрика вследствие начальных ЧР (например, образование дендрита в твердой изоляции). Такие ЧР называются критическими и характеризуются кажущимся зарядом 10"ю — 10"7 Кл. Разница в интенсивностях определяется разницей в конструкции и структуре изоляции и в объеме, в которых развиваются разряды. Критические ЧР при 98
водят к более интенсивному разрушению изоляции и их возникновение резко сокращает срок службы изоляционной конструкции. В ряде случаев они быстро снижают напряжение ЧР до некоторой минимальной величины, меньшей напряжения начальных ЧР, ниже которых ЧР в данном изоляторе существовать не могут. Эти разряды, так же как и начальные ЧР, имеют степенную зависимость характеристик от напряжения, однако для них показатель степени имеет значительно большие значения, чем для начальных ЧР [8].
При постепенном повышении амплитуды переменного напряжения до некоторого его значения в изоляторе наблюдаются начальные частичные разряды слабой интенсивности: область напряжений 2кВ - 6кВ (см. рис.П,4.1 - рис.П.4.3 ПРИЛОЖЕНИЯ 4). При выдержке напряжения в течение нескольких минут эти частичные разряды могут прекратиться на некоторый промежуток времени и появиться вновь [22]. Именно такой эффект нестабильного горения воздушного промежутка наблюдался при малых напряжениях и малой величине зазора d = 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. При дальнейшем повышении напряжения до некоторого значения интенсивность ЧР резко возрастает. По рис.П,4.1 - рис.П.4.3 видно, что при наличии воздушного промежутка d такому напряжению перегиба соответствует точка около бкВ, для целого же изолятора, т.е. при d = 0 мм эта величина больше (»8кВ). Отсюда следует, что при наличии воздушного промежутка, моделирующего механический дефект в изоляторе, напряжения начала возникновения таких ЧР, называемых критическими, меньше, чем в целом изоляторе.
