Изоляция электрооборудования

Изоляция конденсаторного типа применяется для выравнивания напряженности электрического поля в промежутках между потенциальными и заземленными частями высоковольтного оборудования. Непредсказуемое поведение этой изоляции знают все энергетики мира. Известны случаи отказов вводов
и конденсаторов тока с такой изоляцией через непродолжительное время после успешных профилактических испытаний.
По мнению новосибирских авторов, одной из причин «коварства» изоляции конденсаторного типа является недоступность частичных разрядов для электрических методов регистрации. Этот недостаток обусловлен самой конструкцией изоляции и должен учитываться производителями и эксплуатационниками при испытаниях оборудования.

ИЗОЛЯЦИЯ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА
Диагностирование по характеристикам частичных разрядов

Александр Овсянников, д.т.н., профессор,
Роман Арбузов, к.т.н.,
Егор Марюшко,
ПАО «Электросетьсервис ЕНЭС», г. Новосибирск

Особенность формирования электрических сигналов частичных разрядов (ЧР), возникающих в изоляции конденсаторного типа, состоит в том, что результат измерения кажущегося заряда существенно зависит от того, где находится очаг ЧР. Если ЧР возникает внутри слоя изоляции, то основная часть тока ЧР замыкается между обкладками, охватывающими этот слой, и лишь малая часть тока идет на подзарядку внешних емкостей изоляции и оказывается доступной для регистрации. Соответственно кажущийся заряд ЧР, и без того малый по величине [1], если размер полости меньше толщины слоя изоляции, дополнительно ослабляется, что и приводит к потере чувствительности регистрации ЧР. Эта проблема уже обсуждалась в [2].

В данной работе расчеты, аналогичные приведенным ранее, были повторены с использованием более совершенной программы расчета переходных процессов «EMTP». Кроме того, с помощью анализа упрощенной схемы регистрации ЧР и физического моделирования ЧР в изоляции конденсаторного типа приведено предельно наглядное, как кажется авторам, пояснение результатов расчета.

РАСЧЕТЫ СИГНАЛОВ ЧР ВО ВВОДАХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Они проводились для двух схем (рис. 1), соответствующих разным местам расположения очага ЧР.

Рис. 1. Схемы для расчетов сигналов частичных разрядов

Схема 1.

Схема 2.

PD – ключ, имитирующий ЧР;
C_v – собственная емкость включения с ЧР;
C_d – емкость включения на электроды;
R_ch – сопротивление канала ЧР;
C_tr – емкость обмотки трансформатора;
C1 – емкость основной изоляции ввода;
C1’ – емкость между одной парой обкладок;
C1’’ – емкость всех остальных слоев изоляции ввода;
C3 – емкость изоляции последней обкладки ввода относительно земли;
R_sh – сопротивление шунта;
R_m – измерительное сопротивление;
R_b – волновое сопротивление шин ПС;
E1, E2 – напряжение на шинах.

Предполагалось, что в схеме 1 ввод выполнен без обкладок, но с емкостью, близкой к реальному значению емкости основной изоляции ввода С1 ≈ 500 пФ. В схеме 2 очаг ЧР помещен в слой изоляции между одной из пар выравнивающих обкладок ввода 500 кВ с общим количеством обкладок 15 и одинаковой между всеми обкладками емкостью слоя изоляции C1' = 7,5 нФ. Легко проверить, что результирующая емкость основной изоляции ввода и в этом случае осталась той же:

С1 = C1' / 15 = 7500 / 15 = 500 (пФ)

или С1 = С1' · С1'' / (С1' + С1'') = 536 · 7500 / 8036 ≈ 500 (пФ).

Рассматривалось возникновение ЧР в воздушной полости, а изоляция представлялась в виде классической емкостной схемы замещения. В обеих схемах воздушное включение представлено емкостью С_v, а емкость включения на электроды обозначена как С_d. Величины емкостей С_d и С_v в расчетной схеме могли задаваться достаточно произвольно. Важно только, чтобы емкость их последовательного соединения была намного меньше емкости основной изоляции ввода С1. Менее важным, но соответствующим логике распределения напряжения между емкостями, было условие С_d K С_v. Действие ЧР имитировалось идеальным ключом и сопротивлением R_ch разрядного канала.

Параметры остальных элементов (табл. 1) подбирались таким образом, чтобы истинный заряд ЧР оставался одним и тем же в обоих расчетных случаях:

Q = U_v · (С_v + С_d) = 100 · (45 + 5) • 10^–12 = 5000 пКл = 5 нКл.

Таблица 1. Обозначения и параметры элементов расчетных схем

Вторая серия расчетов была проведена для условно «длинных» ЧР. В этой серии сопротивление канала ЧР в обеих схемах было увеличено на порядок по сравнению с указанным в табл. 1, т.е. было принято R_ch = 1000 Ом. Расчетные осциллограммы токов ЧР приведены на рис. 2а и 2в. В них начало второй осциллограммы искусственно сдвинуто на 5 нс для удобства выявления полной идентичности тока ЧР в обеих расчетных схемах.

Рис. 2. Расчетные осциллограммы токов ЧР (а, в) и импульсов напряжения на измерительном сопротивлении (б, г) при R_ch = 100 Ом (а, б) и R_ch = 1000 Ом (в, г)

а)	б)
в)	г)

Сигналы, выделенные на измерительном сопротивлении, приведены на рисунках 2б и 2г. Для удобства восприятия, амплитуды сигналов во второй схеме были на порядок увеличены. Величины истинного заряда ЧР Q были определены интегрированием токов ЧР, а кажущихся зарядов q – интегрированием токов, протекающих при ЧР во внешней цепи (ток в шунте R_sh). Этот ток является суммой токов, протекающих через емкость изоляции последней обкладки ввода С3 и через измерительное сопротивление R_m.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Результаты расчетов, приведенные в табл. 2, подтверждают «шунтирующий» эффект обкладок: при одинаковом истинном заряде кажущийся заряд в схеме 2 оказался в 14,5 раз меньше, чем в схеме 1. Примерно такое же соотношение имело место в амплитудах сигналов: U1 / U2 ~ 14,5. Напомним, что число слоев изоляции было принято равным 15, т.е. было примерно таким же.

Таблица 2. Сравнение расчетных величин токов и зарядов частичных разрядов

Согласно [3], энергию ЧР можно оценить, умножая величину кажущегося заряда на мгновенное значение напряжения, приложенного ко всей изоляционной конструкции:

где Е – внешнее напряжение (Е1 = 1000 В в схеме 1, и Е2 = = 15000 В в схеме 2).

Целесообразно также сравнить полученную величину энергии с той, что была выделена в канале ЧР. Можно, например, провести оценку по энергии, запасенной в емкостях: W_U = 0,5 QU_v, где U_v=100 В – напряжение на полости в момент возникновения ЧР. Эта энергия должна быть равна:

где i – ток ЧР.

Проведенные оценки показали, что энергии ЧР близки друг другу (порядка 0,25 мкДж). Так и должно было так получиться в соответствии с классическими представлениями о ЧР на основе емкостной схемы замещения [3].

Однако надо помнить о том, что при регистрации ЧР измеряются их сигналы в виде импульсов напряжения. Поэтому для отстройки от помех и собственных шумов измерительного устройства желательно иметь сигналы значительно большей амплитуды. В этом смысле шунтирующее действие обкладок имеет крайне негативное влияние, поскольку снижает отношение сигнал/шум.

ГРАДУИРОВКА СХЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ЧР

Проведем теперь условную градуировку схемы регистрации ЧР в трансформаторе. Для этого в схеме замещения введем генератор прямоугольных импульсов и градуировочный конденсатор (рис. 3а).

При напряжении на выходе генератора 50 В и емкости градуировочного конденсатора 100 пФ инжектируемый заряд составляет 5 нКл, т.е. тот же, что имитировался в расчетах. Амплитуда сигналов на измерительном сопротивлении зависела от длительности фронта градуировочного импульса напряжения. При длительности фронта 10 нс она была равна 175 мВ, а при 100 нс – 124 мВ (рис. 3б).

Рис. 3. Схема градуировки (а) и измеряемые сигналы (б) при разных длительностях фронта градуировочного импульса

а)

б)

Величины градуировочных коэффициентов составили:

.

Оценка кажущегося заряда по градуировочным коэффициентам дала следующие результаты.

Для коротких ЧР и градуировки с крутым фронтом Т_фр = = 10 нс:

q1 = U1 · A_10нс = 0,161 В · 28,57 нКл/В = 4,6 нКл;

q2 = U2 · A_10нс = 0,0111 В · 28,57 нКл/В = 0,317 нКл.

Погрешности:

δq1 = {(4,6 – 5) / 5} · 100% = –8%;

δq2 = {(0,317 – 5) / 5} · 100% = –93,7%.

Для коротких ЧР и градуировки импульсами с длинным фронтом Т_фр = 100 нс:

q1 = U1 · A_100нс = 0,161 В · 40,32 нКл/В = 6,5 нКл;

q2 = U2 · A_100нс = 0,0111 В · 40,32 нКл/В = 0,448 нКл.

Погрешности:

δq1 = {(6,5 – 5) / 5} · 100% = +30%;

δq2 = {(0,448 – 5) / 5} · 100% = –91%.

Из приведенных результатов видно, что погрешность оценки кажущегося заряда по градуировочным коэффициентам резко увеличивается, если испытывается изоляция конденсаторного типа, а очаг ЧР находится в слое изоляции между выравнивающими обкладками.

Важно также отметить, что отношение кажущихся зарядов, измеренных в схемах 1 и 2 по результатам градуировки, осталось тем же, т.е. q1 / q2 = 14,5.

Для краткого пояснения результатов «свернем» схему 2 на рис. 1 относительно точек a и b до трех элементов. В получившейся схеме (рис. 4) физический ЧР представлен источником тока i, который делится на два тока – i' и i''.

Рис. 4. Пояснение результатов расчета схемы 2

Ток i' замыкается внутри слоя изоляции между уравнительными обкладками, имитируемого емкостью С1'. Другой ток, i'', циркулирует во внешней схеме, представленной емкостью С1''. Так как С1' L С1'', то сопротивление X_С1' K X_С1'' и по закону Ома величина тока i' L i''. Поскольку регистрации доступен только ток i'', это и объясняет снижение чувствительности регистрации в случаях, когда очаг ЧР расположен внутри слоя изоляции между одной из пар уравнительных обкладок. Это объективно существующая трудность, которую, по-видимому, еще предстоит осознать производителям вводов с изоляцией конденсаторного типа [4].

Еще одно подтверждение результатов расчета было получено ранее при физическом моделировании ЧР в образцах трехслойной изоляции с плоской полостью в среднем слое, в том числе в изоляции электрооборудования конденсаторного типа (рис. 5а).

Выравнивающие обкладки в этом случае моделировались тонкой (20 мкм) полипропиленовой пленкой с односторонним напылением алюминия с толщиной слоя 5 мкм. Пленки размещались так, что слой напыленного алюминия был обращен к полости. Предварительно испытывался тот же образец, но без обкладок, т.е. без пленок с напылением. Напряжение возникновения ЧР в нем оказалось близким к расчетному напряжению пробоя воздушного промежутка длиной, равной толщине полости. При введении выравнивающих обкладок (пленок с напылением), ЧР при той же и даже большей величине высокого напряжения пропали.

После отключения и разборки образца для выяснения причины пропадания ЧР были зафиксированы множественные точки «съеденного» разрядами слоя напыления алюминия в пределах полости (рис. 5б). Из этого факта был сделан вывод, что ЧР в полости горели и, судя по разрушениям слоя напыления, были достаточно мощными, но их электрические сигналы не регистрировались из-за резкого снижения чувствительности регистрации.

Рис. 5. Эскиз образца изоляции конденсаторного типа с воздушной полостью (а) и стилизованный вид разрушенного частичными разрядами слоя напыления (б)

а)	б)

ВЫВОДЫ

В изоляции конденсаторного типа, состоящей из N слоев, при расположении очага ЧР между выравнивающими обкладками одного слоя сигнал ЧР снижается примерно в N раз по сравнению с гипотетическим случаем выполнения изоляции без выравнивающих обкладок. Поэтому чувствительность электрического метода регистрации резко снижается, если очаг ЧР расположен в слое изоляции между выравнивающими обкладками.

В сложившейся ситуации возможный выход видится в применении иного метода регистрации ЧР, например акустического с несколькими датчиками. Один датчик логично расположить на фланце ввода. Другой датчик (это возможно при испытаниях ввода на заводе) можно расположить в токопроводящей трубе. Понятно, что этот датчик должен быть изолирован от земли на полное испытательное напряжение. Передвигая датчик по трубе, можно по максимальной величине сигнала определить и место возникновения ЧР.

Определенные перспективы имеет и электромагнитный метод регистрации ЧР.

ЛИТЕРАТУРА

1. Овсянников А.Г., Коробейников С.М., Вагин Д.В. Связь кажущегося и истинного зарядов частичных разрядов // Электричество. 2014. № 8.
2. Овсянников А.Г., Арбузов Р.С., Живодерников С.В. Оценка кажущегося заряда частичных разрядов в изоляции конденсаторного типа // Энергоэксперт. 2014. № 6.
3. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979.
4. Славинский А.З. Попытки оценить реальные заряды частичных разрядов не имеют перспектив // Энергоэксперт. 2015. № 2.