Wyładowanie niezupełne to wyładowanie elektryczne, które występuje na małym obszarze izolacji, gdzie natężenie pola elektrycznego przekracza wytrzymałość materiału na przebicie. Może wystąpić w pustych przestrzeniach w izolacji stałej, wzdłuż powierzchni materiału izolacyjnego, w pęcherzykach gazu w izolacji ciekłej.
Przyczyny wyładowań niezupełnych
Zgodnie z definicją przyjętą przez międzynarodowe standardy, wyładowanie niezupełne to wyładowanie elektryczne, które lokalnie bocznikuje izolację w oddzielnej części konstrukcji.
Proces ten zachodzi w wyniku jonizacji dielektryka gazowego lub ciekłego i może zachodzić na styku dwóch mediów i wewnątrz izolacji. Powstanie i rozwój zależy od rodzaju dielektryka i cech konstrukcyjnych izolacji obiektu. Wyładowania niezupełne w izolacji są konsekwencją obecności niejednorodności w strukturze dielektryka i charakterystyki działającego na niego napięcia. Takimi niejednorodnościami mogą być różne zanieczyszczenia i zanieczyszczenia, wnęki gazowe, strefy nawilżania. Takie wady powstają w konstrukcji izolacji z reguły ww wyniku naruszenia procesu jego wytwarzania i podczas pracy sprzętu (pod wpływem wpływów mechanicznych, deformacji, wibracji).
Czym są drzewa i ich powstawanie w strukturze materiału izolacyjnego
W materiale izolacyjnym, z znajdującej się w nim wnęki, tworzy się struktura drzewiasta - drzewo. W gałęziach drzew powstają wyładowania niezupełne. Pod wpływem pola elektrycznego i wyładowań drzewa powiększają się i powiększają, zwiększając w ten sposób stopień degradacji materiału polimerowego. Dendryty mają zwiększoną przewodność i prowadzą do postępującego niszczenia dielektryka.
Ponieważ wyładowanie niezupełne w medium gazowym wymaga napięcia niższego niż w przypadku jakiegokolwiek efektu w płynnej lub stałej obcej inkluzji, obecność takich defektów w izolacji może być najbardziej prawdopodobną przyczyną początku zniszczenia materiał. Wynika to z faktu, że we wnęce wypełnionej gazem natężenie pola elektrycznego jest większe niż w obszarze stałym lub ciekłym, a wytrzymałość elektryczna ośrodka gazowego ma niższą wartość niż inne frakcje izolacyjne.
Rodzaje drzew
Przęsła pochodzenia elektrycznego powstają pod wpływem napięcia przemiennego i impulsowego, a także przy bardzo wysokich wartościach. Podczas pracy urządzenia wartości te nie powodują natychmiastowego przebicia izolacji, ale mogą powodować jonizację gazów w czasie pracyniejednorodności. Jeśli w strukturze materiału nie ma wystarczająco dużych zagłębień, dendryty mogą rozwijać się przez stosunkowo długi czas.
Obecność pęcherzyków o dużych rozmiarach prowadzi do wyładowań niezupełnych, gdy kabel pracuje przy napięciu znamionowym.
Drzewa wodne powstają, gdy wilgoć dostaje się do wnętrza izolacji w wyniku dyfuzji lub mikropęknięć w materiale.
Kiedy wilgoć kondensuje we wtrąceniach, tworzą się tu dendryty, po czym rozpoczyna się ich intensywne tworzenie i wzrost z powodu pojawienia się dodatkowych pustek. Prowadzi to do zmniejszenia wytrzymałości elektrycznej dielektryka i do uszkodzenia kabla.
Główne przyczyny degradacji izolacji obejmują zarówno starzenie elektryczne spowodowane częściowymi wyładowaniami występującymi we wtrąceniach przy przepięciu i w znamionowym trybie pracy, jak i starzenie termiczne materiału.
Pod wpływem wyładowań niezupełnych rozpoczyna się proces niszczenia izolacji, powiększa się rozmiar dotkniętego obszaru.
Warunki występowania wyładowań niezupełnych zależą od kształtu pola elektromagnetycznego struktury izolacyjnej oraz właściwości elektrycznych danej strefy materiału.
Wyładowania niezupełne zwykle nie prowadzą do przebicia izolacji, jednak powodują zmiany w strukturze dielektryka, a przy odpowiednio długiej pracy układu mogą spowodować przebicie izolacji warstwa. Ich występowanie zawsze wskazuje na lokalną niejednorodność.dielektryk. Charakterystyki wyładowań niezupełnych pozwalają dość dobrze ocenić stopień wadliwości konstrukcji izolacyjnej.
Stwarzają one największe zagrożenie, gdy sprzęt jest zasilany napięciem przemiennym i impulsowym.
Zjawiska fizyczne towarzyszące wyładowaniom niezupełnym w izolacji
Przegrzanie izolacji przyspiesza proces jej niszczenia poprzez zwiększenie liczby punktów, w których pojawiają się nowe defekty, co prowadzi do wzrostu liczby i objętości dendrytów. Prowadzi to do zwiększonego napięcia na polach obszaru.
Częściowe wyładowanie elektryczne ma wpływ termiczny na izolację, a także niszczy ją wraz z naładowanymi cząsteczkami i reaktywnymi produktami powstałymi w wyniku wyładowania.
Ponadto wyładowania niezupełne powodują pojawianie się prądów pulsacyjnych w tworzonych przez nie kanałach. Podczas awarii towarzyszy temu promieniowanie elektromagnetyczne, fale uderzeniowe, błyski światła oraz przebicie izolacji na poziomie molekularnym.
Wyładowania niezupełne są jedną z głównych przyczyn uszkodzeń sprzętu wysokiego napięcia. Tłumaczy się to tym, że pojawienie się wyładowań niezupełnych jest początkowym etapem rozwoju większości wad izolacji wysokonapięciowej.
W wyniku tych procesów powstają warunki do wystąpienia przebicia izolacji.
Etapy rozładowania
Gdy zostanie przekroczony określony próg napięcia, należy ustawić określonymateriał izolacyjny, można w nim inicjować wyładowania niezupełne, które nie prowadzą do natychmiastowego wypalenia się izolacji, dlatego mogą być całkiem akceptowalne. Dostali imię - inicjał.
Dalszy wzrost napięcia, wzrost wielkości i liczby wtrąceń, liczba drzew w procesie ciągłej pracy urządzenia, prowadzi do gwałtownego wzrostu intensywności wyładowań niezupełnych. Ich występowanie znacznie skraca trwałość izolacji i może prowadzić do jej uszkodzenia. Takie wyładowania nazywane są krytycznymi.
Wpływ wyładowań w konstrukcji na sprzęt
Jednym z głównych elementów konstrukcyjnych transformatorów i maszyn elektrycznych jest izolacja uzwojeń. Jest stale narażona na takie destrukcyjne czynniki jak: efekty termiczne spowodowane długim przepływem prądów; obciążenia wibracyjne spowodowane działaniem obwodu magnetycznego (w przypadku transformatorów) i mechanizmu napędowego (w przypadku maszyn elektrycznych); konsekwencje prądów rozruchowych i zwarciowych.
Wszystkie te czynniki prowadzą do uszkodzenia izolacji i wyładowań niezupełnych. W przypadku maszyn elektrycznych jest to najczęstsza przyczyna awarii, a w przypadku transformatorów awaria spowodowana uszkodzeniem izolacji uzwojeń jest na drugim miejscu po uszkodzeniu przepustów.
Dlaczego musisz mierzyć wyładowania
Pomiar procesów zachodzących podczas wyładowań niezupełnych jest niezbędny, aby móc zapobiegać awariom izolacji i je minimalizowaćintensywność w materiałach izolacyjnych.
W związku z zastosowaniem izolacji XLPE w budowie kabli elektroenergetycznych, urządzeń elektroenergetycznych, transformatorów wysokiego napięcia, napowietrznych linii elektroenergetycznych, konieczne jest stałe monitorowanie wyładowań niezupełnych, które wpływają na bezpieczeństwo ich eksploatacji.
Zapobieganie awariom izolacji i metody testowania
Konieczne jest przeprowadzanie kontroli stanu materiału izolacyjnego podczas pracy, aby wykryć rozwijające się uszkodzenia i zapobiec przypadkowym awariom spowodowanym częściowymi wyładowaniami na sprzęcie.
Aby kontrolować stopień wadliwości izolacji sprzętu wysokiego napięcia, są:
- Testy ze zwiększonym napięciem, równoważnym pod względem jego możliwego wzrostu podczas pracy. Jest to konieczne do ustalenia wartości wytrzymałości dielektrycznej izolacji podczas krótkotrwałych wzrostów napięcia.
- Nieniszczące metody badań w celu określenia żywotności jego działania.
Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie niezawodnej diagnostyki działającego sprzętu, bez konieczności jego wycofywania z eksploatacji, a tym samym eliminację strat ekonomicznych.
Istniejące metody diagnozowania wyładowań niezupełnych umożliwiają wykrycie defektu na wczesnym etapie jego rozwoju, a tym samym zapobiegają kosztownym naprawom lub wymianie uszkodzonego sprzętu.
Niektóre metody pozwalają zlokalizować uszkodzony obszar, a naprawie będą podlegać tylko obszary uszkodzoneizolacja.
Podczas testowania sprzętu pod wysokim napięciem, jakość izolacji pogarsza się w wyniku narażenia na napięcia kilka razy wyższe niż wartości robocze.
Diagnostyczne metody wykrywania wyładowań niezupełnych pozwalają na najdokładniejszą ocenę stopnia szczątkowego działania sprzętu bez niszczenia jego izolacji. Diagnostykę wyładowań niezupełnych podczas eksploatacji utrudnia fakt, że zwykle wokół sprawdzanego obiektu znajdują się inne urządzenia, które są źródłem zakłóceń. Sygnały te nie mogą różnić się parametrami od sygnałów pożądanego obiektu, gdyż mogą to być również wyładowania niezupełne.
Dlatego, aby oddzielić sygnały interferencyjne od mierzonego wyładowania niezupełnego, należy najpierw zmierzyć sygnały interferencyjne przy wyłączonym napięciu na badanym obiekcie, a następnie dokonać pomiaru w trybie pracy.
W tym przypadku zostanie zarejestrowana suma sygnałów wyładowania częściowego i tła.
Różnica między tymi pomiarami pokaże wartość sygnału PD.
Uzyskane cechy pozwalają nam ocenić charakter defektów i sam rozładowanie.
Metoda wyładowań niezupełnych nie uszkadza izolacji i jest szeroko stosowana, ponieważ w procesie testowym nie wykorzystuje się wysokiego napięcia, które miałoby negatywny wpływ na izolację.
Metoda wyładowań elektrycznych
Metoda wymaga kontaktu przyrządu pomiarowego z izolacją.
Pozwala na zdefiniowanie dużej liczby charakterystyk wyładowań niezupełnych.
To jest najdokładniejsze ze wszystkichmetody pomiaru wyładowań niezupełnych.
Akustyczna metoda rejestracji
Ta metoda opiera się na użyciu mikrofonów, które odbierają sygnały dźwiękowe ze sprzętu na żywo.
Czujniki są instalowane w złożonych rozdzielnicach i innych urządzeniach elektroenergetycznych i działają zdalnie.
Wada: wyładowania niezupełne o małej sile nie są rejestrowane.
Metoda elektromagnetyczna lub zdalna
Wykrywanie wyładowań niezupełnych metodą mikrofalową jest procesem prostym i skutecznym. W tym celu stosuje się antenę kierunkową.
Wadą tej metody jest brak możliwości pomiaru wielkości wyładowań.
Wyładowania właściwe w transformatorach
Potężne transformatory mocy są częścią systemów elektroenergetycznych, a w ich pobliżu zainstalowane są urządzenia wysokiego napięcia, w których mogą występować wyładowania niezupełne. Sygnały z nich wysyłane są do sterowanego transformatora na różne sposoby.
Jeżeli transformator jest podłączony do napowietrznych linii elektroenergetycznych narażonych na wyładowania atmosferyczne, sygnały z nich będą rejestrowane podczas pomiaru charakterystyki wyładowań niezupełnych w izolacji transformatora.
Gdy transformator znajduje się w otwartej podstacji, wyładowania koronowe występują okresowo na jego zewnętrznych częściach przewodzących prąd, w zależności od temperatury, wilgotności i innych czynników.
Zmiana obciążenia i obecność w transformatorach urządzeń regulujących ich parametry podczas pracy, np. urządzeń, którepraca regulacyjna pod obciążeniem, prowadzi do zmiany charakterystyki wyładowań niezupełnych, która może się zmniejszać lub zwiększać.
Wszystkie te czynniki prowadzą do tego, że wiele pomiarów na transformatorach może pokazać zniekształcony obraz stanu izolacji.
Odczyty pobrane z testowanego transformatora zostaną nałożone na impulsy szumów z pobliskiego sprzętu.
W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie odpowiednio dobranej techniki pomiarowej, aby wykluczyć wpływ zakłóceń na odbierane dane dotyczące wyładowań niezupełnych w transformatorach.
