3.2. Частичные разряды в бумажно-масляной изоляции.

В зависимости от конструкций и типа аппаратов, такая изоляция носит форму барьеров, где поле, как правило существенно неоднородно (трансформаторы, машины), и сплошной изоляции в устройствах с примерно равномерным полем, например кабели.

Конструкция бумажно-масляной изоляции представляет собой ленточную или рулонную намотку бумаги на изолируемую конструкцию, например, на жилу кабеля, которая затем высушена, опрессована и пропитана минеральным маслом.

Начальные ЧР в такой изоляции возникают вследствие пробоя масляных пленок, т.к. в хорошо высушенной и пропитанной минеральным маслом бумажной изоляции нет пузырьков воздуха или иного газа. Пропитка маслом бумажной изоляции производится под вакуумом (до 0,001 мм рт. ст.), вследствие чего в изоляции остается не более 0,1 % газа, который полностью растворяется в пропитывающем составе.

Начальные ЧР возникают прежде всего в местах с наибольшей напряженностью поля. На переменном напряжении напряженность в масляной прослойке выше, чем в бумаге. Эквивалентная схема бумажно-масляной изоляции приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Эквивалентная схема бумажно-масляной изоляции.

Очевидно, что напряжение по прослойкам распределится обратно пропорционально емкостям прослоек.

Чем тоньше бумага, тем меньше толщина масляных прослоек. Пробивная напряженность масла растет с уменьшением толщины прослойки, поэтому устройства, в которых использована более тонкая бумага, имеют более высокую напряженность ЧР.

Развитие ЧР в масляных прослойках ленточной изоляции приводит через какое-то время к образованию ветвистых побегов, при которых пробой развивается на большие расстояния по зигзагообразному пути между слоями бумаги. Продольные ветвистые побеги вызываются продольной составляющей напряженности поля.

Фактором, от которого зависит электрическая прочность конструкции в целом, является плотность бумаги. С увеличением ее плотности растет прочность бумаги, но одновременно растет и ее диэлектрическая проницаемость (у клетчатки =7). Рост приводит к увеличению напряженности в масляных прослойках и облегчает образование в них ЧР. Таким образом, выбор физических и конструктивных соотношений изоляционной конструкции должен оптимизироваться при решении конкретной задачи.

3.3. Методика измерений характеристик частичных зарядов.

Измерения характеристик ЧР производятся при испытании изоляции высоким напряжением. Измерения производятся на переменном напряжении с целью:

- определить интенсивность ЧР в испытуемом объекте при нормированном напряжении;

- установить, что в изоляции испытуемого объекта измеряемые характеристики ЧР не превышают нормированное значение при нормированном напряжении;

- установить, что интенсивность ЧР в изоляции испытуемого объекта не изменяется во время действия нормированного напряжения более чем на нормированное (заданное) значение;

- определить напряжение возникновения и напряжение погасания ЧР определенной интенсивности.

В результате измерений характеристик ЧР в образцовых изделиях определяют качество вновь разработанного устройства, выявить конструктивные и технологические дефекты. В ряде случаев при форсированных испытаниях образца можно прогнозировать срок службы устройства и определить допустимые и испытательные напряженности.

Статистическое распределение количества ЧР в единицу времени по величинам их зарядов называют амплитудным спектром ЧР. Площадь амплитудного спектра равна - среднему току ЧР. По этим параметрам можно прогнозировать срок службы изоляции.

Существует ряд методов измерения характеристик ЧР: электрических, оптических, акустических. Рассмотрим электрические методы, наиболее распространенные на практике и основанные на регистрации высокочастотных колебаний, возникающих при ЧР. Основные варианты схем измерения ЧР приведены на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схемы для измерения характеристик ЧР

В состав каждой из них входит: источник регулируемого высокого напряжения – обычно испытательный трансформатор (ИТ); испытуемый объект (С_х); соединительный конденсатор (С₀), служащий для создания пути замыкания импульсов тока ЧР; измерительный элемент Z; измерительное устройство (ИУ), подключаемое параллельно измерительному элементу и имеющее входную емкость С_вх. Источник высокого напряжения и соединительный конденсатор не должны иметь ЧР, мешающие измерениям ЧР в испытуемом объекте. Измерительным элементом Z может быть резистор. Система подключения источника напряжения к испытуемому объекту выполняется так, чтобы исключалось возникновение короны или разрядов, создающих помехи при измерении ЧР. Измерительный элемент может быть включен в ветвь заземления испытуемого объекта (рис. 3.5А), в ветвь заземления соединительного конденсатора (рис. 3.5Б). На рис. 3.5В приведена мостовая схема измерений. Схемы 3.5А,В применяются в тех случаях, когда оба вывода испытуемого объекта могут быть разземлены. Если один из выводов объекта не может быть разземлен, применяют схему 3.5Б.

Принцип измерений в следующем. В начале полупериода напряжения сети конденсаторы С₀ и С_х, соединенные параллельно, заряжаются одним напряжением до момента, когда в изоляции испытуемого объекта С_х начнутся частичные разряды – пробои включений. В результате такого микропробоя напряжение на С_х немного снижается и С₀ начинает перезаряжаться на С_х и в контуре С₀ – С_х – Z начинает протекать уравнительный высокочастотный ток в соответствии с осциллограммой частичных разрядов на включении (рис. 3.3). Контур уравнительного тока ЧР приведен на рис. 3.6. Падение напряжения на измерительном элементе Z при протекании уравнительного тока ЧР поступает в ИУ, где фиксируется. Это падение напряжения пропорционально перетекаемому заряду, равному фиктивному заряду .

Рисунок 3.6. Контур уравнительного тока ЧР.

Электрические помехи, затрудняющие или делающими невозможными измерения ЧР, различают на внутренние (зависящие от напряжения на образце) и внешние (не зависящие от напряжения на образце). Внешние вызываются работой соседних установок, возникающие в схеме питания. Внутренние помехи вызываются искрениями и коронными разрядами на элементах высоковольтной схемы или вводах образца.

Из приведенных схем измерений ЧР наиболее помехозащищенной является мостовая схема. Она позволяет избавиться от большинства видов помех (кроме помех, возникающих в контуре заземления).

Принцип ослабления сигналов от внутренних помех (главным образом помех от короны поясняется на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема измерения ЧР, обеспечивающая ослабление внутренних помех

Токи, создаваемые источниками внутренних помех (например, короной) замыкаются через емкость оборудования на землю , при этом создают встречное падение напряжения на элементах измерительного сопротивления включенными последовательно с емкостями и (см. рис. 3.7). Сопротивления а также емкость , подключенная для компенсации паразитной емкости элементов либо в точке , либо в точке , могут быть подобраны так, чтобы напряжение на выходе ИУ от помех было бы близко к нулю. В то же время ток ЧР вызывает согласное падение напряжения на обоих элементах измерительного сопротивления и полностью регистрируется ИУ.

Экранирование измерительных цепей позволяет снизить уровень внешних помех на 2 порядка. Внутренние помехи, а также помехи из сети питания могут быть снижены путем установки разделительных трансформаторов в питающей сети и фильтров при питании схемы от автономной сети. Снижение внутренних помех достигается также повышением напряжения начала короны на элементах высоковольтной схемы, что достигается конструктивными способами: большие диаметры проводов, отсутствие острых углов и т. п.

Измерительная схема с выходными устройствами приведена на блок-схеме 3.8.

Рис. 3.8. Блок-схема измерений характеристик ЧР:

Т – трансформатор; R_з – защитное сопротивление; С₀ – соединительный конденсатор; С_х – испытуемый объект; Z – измерительное сопротивление; Ф – фильтр; У – усилитель; ЦО – цифровой осциллограф; Сч – счетчик.

В общем случае из эквивалентных схем измерений следует, что заряд ЧР равен:

(3.7)

При измерении характеристик ЧР обычно определяют кажущийся заряд ЧР и количество импульсов ЧР в секунду Средний ток ЧР находят по формуле:

(3.8)

где - среднее значение кажущегося заряда и - среднее число импульсов в 1 с. Средняя мощность и энергия ЧР находятся по формулам:

,

(3.9)

где - амплитудное значение напряжения на объекте в момент начала ЧР.

Для анализа переходного процесса в схеме считаем, что при ЧР внутри объекта при разомкнутом контуре возникает изменение напряжения на электродах объекта:

® ,

(3.10)

- постоянная времени ЧР, зависящая от параметров объекта.

ЧР, представляющие собой пробои воздушных включений, имеют длительность фронта 10^-10 - 10^-9 с. При пробоях масляных пленок в изоляции, пропитанной маслом, это время лежит в пределах 10^-8 -10^-7 с. При возникновении ЧР объект можно рассматривать как генератор ЭДС и с внутренним сопротивлением, определяемым емкостью С_х.

На измерительном сопротивлении, которое выполняется в схеме с широкополосным усилителем как омическое R, падение напряжение равно:

,

(3.11)

где операторное сопротивление контура; операторное сопротивление измерительного элемента с учетом входной емкости измерительного устройства , напряжение с которой подается на вход измерительного устройства. Не приводя вывода решения этих простых контуров, оригинал будет иметь вид:

(3.12)

где величина, обратная постоянной времени контура .

При измерении слабых начальных ЧР ( ), как правило, >> и уравнение может быть преобразовано с некоторой погрешностью к виду:

(3.13)

Напряжение на входе усилителя имеет форму импульса, фронт которого определяется длительностью ЧР в изоляции, спад определяется постоянной времени контура, а амплитуда тем больше, чем меньше входная емкость по отношению к эквивалентной емкости контура С_э. Для обеспечения корректности измерений измерительная аппаратура должна иметь минимально возможную емкость входа. Наибольшая чувствительность достигается при соблюдении условий:

>> , << , << .

(3.14)

Отклонение от этих условий в сторону сближения и , а также и приводит к снижению сигнала от ЧР.