шестая ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Общие сведения

При повышенной напряженности электрического поля в отдельных элементах изоляции могут происходить разряды (пробой), которые не приводят к полному пробою электроизоляционной конструкции. Такие разряды получили название частичных разрядов (ЧР). Они развиваются главным образом в газовых включениях в диэлектрике, но могут присутствовать и в жидких прослойках, например в масле.

Появление ЧР в газовых включениях приводит к возрастанию потерь энергии в диэлектрике и увеличению его 1§8. Стандарты регламентируют испытания для определения Д1?б при повышении напряжения от половины номинального до испытательного значения. Однако оценка Д1§8 с ростом напряжения дает лишь грубое представление об интенсивности ЧР. Для более точных оценок используют специальные методы.

Методы оценок частичных разрядов

Наибольшее распространение получили методы регистрации электрических импульсов при ЧР. Для исследовательских целей применяют приборы для регистрации ЧР методом оптических вспышек. Схема такого прибора показана на рис. 6.1. В исследуемом диэлектрике 1 искусственно формируется ячейка с газовым включением 2. Под диэлектриком установлен электрод 3. На стеклянную пластинку 4 заливают раствор соли в воде 5. Этот раствор является верхним электродом. Над верхним электродом устанавливают фотоэлектрический умножитель ФЭУ, сигналы которого от вспышек, вызванных ЧР, поступают на регистрирующий прибор Р (счетчик импульсов). Развитие ионизации и характер разрушений можно наблюдать с помощью микроскопа. Возможно исследование ЧР в различных газовых средах.

В электрической изоляции готовых изделий ЧР регистрируют электрическими методами. Схема, иллюстрирующая этот метод,

Рис. 6.1. Схема прибора для регистрации частичных разрядов методом фотовспышек

показана на рис. 6.2. В момент, когда при повышенной напряженности электрического поля возникает ударная ионизация и происходит пробой газового включения С₃, на время порядка 10 ⁷ с. При этом суммарная емкость возрастает на ДС_х. При изменении полярности электродов в последующий полупериод происходит новая вспышка ионизации. Обычно число импульсов в секунду пропорционально частоте/(и = Лк/ к=, 2, 3 ...).

При изменении емкости образца С_х на ДС_Г происходит изменение заряда AQ_X

где и — напряжение на образце.

Величину А?/. называют кажущимся зарядом единичного ЧР. Если последовательно с С_х. включен резистор, то изменение емкости на ДС_х приведет к возникновению импульса напряжения на С_х:

Рис. 6.2. Схема диэлектрика с газовым включением

После большого усиления этот импульс может быть измерен регистрирующим прибором Р.

Поскольку сигнал имеет форму кратковременного импульса то спектр электромагнитных колебаний, из которых он суммируется, составляет 20—2000 кГц. Для точного измерения количества заряда или тока необходимо равномерное усиление и регистрация в этой области частот. При сильных помехах или необходимости регистрации ЧР используют резонансные усилители.

Средний ток частичных разрядов равен

Для оценки качества диэлектрика иногда используют значения

2

мощности частичных разрядов, которая пропорциональна ДII_х и

суммарного заряда Q за время испытаний л

Схемы приборов для исследования ЧР при последовательном, параллельном и балансном соединениях показаны на рис. 6.3, а—в.

В качестве сопротивления Д_и применяется резистор или настроенный контур. Допускается применение индуктивности или фильтра более сложной конструкции.

В качестве регистрирующего прибора при измерении применяют усилитель, измерительный преобразователь (амплитудный вольтметр), осциллограф и измеритель радиопомех.

Рис. 6.3. Схемы приборов для исследования частичных разрядов электрическим методом

Для измерения параметров импульсов применяют усилитель, амплитудный дискриминатор, счетчик импульсов.

При измерении тока применяют усилитель, выпрямительное устройство или измеритель средних значений.

На входе усилителя устанавливают фильтр, «срезающий» напряжение с частотой менее 5—20 кГц. Коэффициент усиления достигает

значений 10⁶ со ступенями регулирования 20 дБ. Поскольку согласно (6.2) чувствительность измерений уменьшается с увеличением С_х, то при больших значениях С_х, а также при наличии помех применяют узкополосный усилитель с полосой пропускания А/ примерно 8— 10 кГц, при этом частота усиления может изменяться от 20 кГц до 2 МГц. В этом случае в качестве 2_Ц применяют резонансный контур, настроенный на частоту усилителя.

При измерениях ЧР возможен пробой образцов, поэтому параллельно 2_Ц устанавливают разрядник. При последовательном соединении (схема рис. 6.3, а) чувствительность схемы несколько выше, однако в этом случае оба электрода должны быть изолированы от заземления. Соединительный элемент С_с позволяет при подключении элемента индуктивностью Г в качестве 2_Ц настроить контур а—б—в—г в резонанс с частотой усилителя и с частотой, на которую приходится максимум в спектре частот импульса ЧР. Емкость С_с в сочетании с 2_К может работать в качестве фильтра, «срезающего» высокочастотные помехи, приходящие из электрической сети.

В качестве 2_Н применяют защитный резистор или фильтр, «срезающий» частоты более 5—20 кГц.

При параллельном соединении (рис. 6.3, б) конденсатор С_с служит для соединения образца С_х с измерительным 2_И. Если в качестве 2_Н используют индуктивность, то контур а—б—в—г может быть настроен в резонанс, как и при последовательном соединении. В этом случае один из электродов С_х заземлен.

В балансной схеме рис. 6.3, в, если С_с = С_х. и 2_и1 = 2_и2, полностью устраняются помехи, приходящие из электрической сети и от трансформатора высокого напряжения. В этом случае при несимметричном входе Р необходим согласующий трансформатор Т.

Если на выходе регистрирующего прибора необходимо создать напряжение сигналов порядка 1 В, то при коэффициенте усиления

• 6 — 6
• 10 можно регистрировать Д(/_х примерно равное 10 В. Тогда

согласно (6.1) кажущийся заряд Д(?_х, который регистрирует схема,

_9

составит Д(Э_х ~ С_ХА11_Х. Так, при емкости С_г = 1000 пФ (10 Ф), чувствительность схемы составит 10 ¹⁵ Кл. С увеличением С_х чувствительность схемы снижается. Однако вследствие потерь энергии в элементах схемы (при этом сигнал уменьшается примерно па порядок), а также вследствие наличия помех чувствительность схем редко

-13

достигает 10 Кл.

Все провода в схеме, которые находятся под высоким напряжением, должны иметь гладкую поверхность и диаметр, исключающий возникновение короны. В соединительном конденсаторе и обмотке трансформатора высокого напряжения не должны возникать собственные ЧР. При этом конденсатор С_с должен быть выбран на напряжение, значительно превышающее напряжение при измерениях ЧР. Для задания испытательного напряжения при измерениях ЧР изготовляют специальные трансформаторы с обмотками без ЧР. При использовании обычных трансформаторов следует использовать его при пониженном напряжении, не достигающем поминального значения. Следует учитывать, что качество проведенных измерений ЧР во многом зависит от устранения влияния помех.

При градуировке схем применяют генератор прямоугольных импульсов (рис. 6.4). Длительность импульсов генератора составляет 100—1000 мкс, длина фронта не более 0,1 мкс. Генератор (7 подключают параллельно С_х через емкость С₀, которая удовлетворяет соотношению С₀ < 0,1С_Э. Эквивалентная емкость зависит от схемы измерений. При подключении генератора параллельно С_х значение С’_э

рассчитывают по формуле . При этом должно

выполняться соотношение — частота следования импульсов.

Если генератор имеет несимметричный выход, то при последовательной схеме делают два измерения. Показания прибора Р должны быть одинаковыми, что достигается регулированием амплитуды

Рис. 6.4. Схема градуировки прибора импульсов генератора. Градуировочный коэффициент к_(/ определяется по формуле:

где т = ?/₀|/[/₀₂, С/_0] и ?/₀₂ — напряжения импульсов генератора в соответствующих положениях переключаются; А_(/0 — показания регистрирующего прибора Р при градуировке; А — показания прибора Р при измерениях ЧР.

Эквивалентную емкость вычисляют по следующим формулам и выбирают меньшее значение:

Уровень помех при измерениях может быть определен экспериментально. Для этого к схеме подключают образец С_х, заведомо не имеющий ЧР при заданном напряжении. Появление показаний регистрирующего прибора при установленном напряжении свидетельствует о возникновении помех.

По исследованию ЧР имеется обширная литература, которая относится к исследованиям в основном при напряжении до 2—3 кВ. При повышении напряжения до 100 кВ и более становится все труднее исключать помехи от коронирования на элементах схемы. Исследования ЧР в кабелях марки ОСБ при напряжениях до 100 кВ описаны в [39].

В кабельной технике необходимы исследования ЧР, появляющиеся в точках вдоль длины кабеля. Особенно это важно для кабелей высокого напряжения с полимерной изоляцией. Схема таких измерений показана на рис. 6.5. Металлическая ванна 1 заземлена и заполнена водой 2, очищенной от ионов с помощью ионообменных смол. При этом удельное объемное сопротивление воды велико. К электроду 3, подведено высокое напряжение жила кабеля соединена с заземлением через измерительный резистор Электроды 4 заземлены. Поскольку диэлектрическая проницаемость воды велика, то почти все напряжение приходится на изоляцию кабеля. Между изоляцией кабеля и электродом 3 нет газовых включений, и ЧР могут развиваться только внутри кабеля. Пропуская кабель строительной длины через такую ванну, можно обнаружить место возникновения ЧР.

Рис. 6.5. Схема измерения частичных разрядов в кабеле

Существуют схемы измерений ЧР в длинных кабелях при частоте порядка 20 МГц. При этом по разности времени прихода импульса от места его возникновения и при его отражении от дальнего конца кабеля судят о месте возникновения ЧР.

Частичные разряды малой интенсивности могут постепенно затухать. Наличие таких ЧР при испытаниях допустимо. Если интенсивность ЧР возрастает, то это свидетельствует о том, что через непродолжительное время может произойти пробой изоляции.

Стойкость различных материалов к ЧР неодинакова. Например, полиэтилен быстро разрушается под действием ЧР, а стекло или фарфор — медленно. Зависимость наработки t электроизоляционной конструкции от напряжения U обычно подчиняется степенной закономерности t = AU' где А и п — постоянные величины. При исследовании ЧР может быть поставлена задача определения зависимости наработки от интенсивности ЧР (значения тока). Исследование характера разрушения материала в искусственно создаваемых включениях помогает выбору оптимального состава материала.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое частичные разряды? Нарисуйте схему замещения для частичных разрядов в диэлектрике. Каковы основные параметры, характеризующие частичные разряды?
• 2. Нарисуйте типичную схему для определения параметров частичных разрядов.