Влияние запаздывания на напряжение возникновения частичных разрядов в изоляции трансформатора

Page 1

Page 2

108

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Влияние запаздывания на напряжение
возникновения частичных разрядов
в изоляции трансформатора

УДК 621.3.048:621.314.21

Воденников

заместитель Председателя

Правления — главный

инженер ПАО «ФСК ЕЭС»

Коробейников

д.ф.-м.н., профессор,

заведующий кафедрой

«Безопасность труда»

НГТУ

Овсянников

д.т.н., профессор

кафедры «Техника и

электрофизика высоких

напряжений» НГТУ

Ридель

аспирант кафедры

«Безопасность труда»

НГТУ

Рассмотрены

типичные

дефекты

изоляции

силовых

трансформаторов

виде

газовых

пузырьков

прослоек

масла

которых

при

некоторых

условиях

могут

возникнуть

ча

стичные

разряды

Экспериментально

установлено

что

задержка

зажигания

частичных

разрядов

газовом

пузырьке

может

достигать

часов

отсутствие

начального

электро

на

инициирующего

развитие

разряда

при

достаточной

напряженности

электрического

поля

Начальные

электроны

генерируются

преимущественно

внешними

ионизирующими

излучениями

проникновение

которых

во

внутренний

объем

трансформатора

затруднено

металлическими

стенками

бака

По

этой

причине

длительность

испытаний

повышенным

напряжением

может

оказаться

недостаточной

для

обнаружения

потенциально

опасных

дефектов

изоляции

Ключевые

слова

трансформатор, изоля-

ция, частичный разряд,

задержка, напряжение

возникновения, началь-

ный электрон

змерение интенсивности час-

тичных разрядов (ЧР) при за-

данных уровнях переменного

напряжения входит в число

обязательных видов испытаний высоко-

вольтного оборудования [1]. В програм-

ме испытаний изоляции силовых транс-

форматоров [2] оговаривается порядок

повышения и снижения испытательного

напряжения, а также выдержки времени

при некоторых его значениях, превы-

шающих наибольшее рабочее напряже-

ние. Предполагается, что при этом вы-

полняются все условия для зажигания

ЧР в возможных дефектах изоляции, ко-

торые могут привести к ее деградации

в процессе эксплуатации оборудования.

Интенсивность ЧР нормируется

в значениях кажущегося заряда. При-

нято различать ЧР на начальные (до

сотен пикокулон) и критические (до

3–10 нКл и более). В соответствии

с нормами при повышенном напряже-

нии интенсивность ЧР не должна пре-

вышать 300 пКл [1], то есть допускают-

ся только начальные ЧР.

Начальные ЧР локализуются у по-

верхностей изоляции, в первую оче-

редь — в местах стыков изоляционных

деталей, в местах касания барьеров

и изолированного провода обмотки

в переходах и перемычках. В отсутствие

газовых пузырьков в толще витковой

изоляции ЧР могут возникать в масля-

ных прослойках между листами бума-

ги, если напряженность электрического

поля у поверхности провода не менее

макс

= 150÷200 кВ/см, что возможно

только при перенапряжениях. При этом

напряженность в середине масляно-

го канала достигает

= 60÷100 кВ/см,

а в рабочем режиме ее величина не

превышает 40 кВ/см [3]. Иначе говоря,

в нормальном рабочем режиме рабо-

ты исправного трансформатора, воз-

никновение ЧР в указанных местах ЧР

практически исключено. Наиболее ве-

роятно возникновение ЧР у поверхности

изоляции провода в щелях между про-

водом и прокладками, между проводом

и рейками. В этих щелях застревают

пузырьки газа, образующиеся в масле

при недостаточном вакуумировании во

время заливки масла, резком падении

давления, разложении перегретого мас-

ла и т.д. Отдельные пузырьки имеют ма-

лые размеры, но при скоплении в щелях

и на поверхности бумаги или картона

в них могут возникнуть и развиться ЧР.

К критическим ЧР можно отнести

пробой масляного зазора в месте со-

прикосновения изолированного прово-

да и электрокартона (изоляция отводов,

перемычек); пробой масляного кана-

ла маслобарьерной изоляции обмотки

и скользящие разряды по поверхности

барьеров и шайб. Пробои масляных ка-

налов могут провоцироваться разряда-

ми в газовых пузырьках миллиметровых

размеров. Скользящие разряды появ-

ляются в результате грубейших ошибок

конструирования и нарушений техно-

логии изготовления, при сильном и не-

равномерном увлажнении барьеров,

а также при кумулятивном действии на-

чальных ЧР в местах касания и в щелях

изоляционных конструкций.

Заводские приемо-сдаточные ис-

пытания в большинстве случаев по-

казывают, что ЧР в изоляции силовых

трансформаторов классов напряжения

220–750 кВ практически полностью от-

Page 3

109

сутствуют при наибольшем рабо-

чем напряжении, а при повышен-

ном напряжении не превышают

нормируемого значения 300 пКл.

По нашему мнению, отсутствие

ЧР при достаточной для этого на-

пряженности электрического поля

и наличии указанных дефектов

может быть связано еще и с запаз-

дыванием зажигания ЧР. К такому

выводу можно прийти из полу-

ченных нами экспериментальных

результатов и анализа фактов, из-

вестных из литературы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

МОДЕЛЬНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ

При исследованиях ЧР в газовых

пузырьках в трансформаторном

масле были отмечены большие

расхождения между ожидаемыми

и фактическими напряжениями

возникновения ЧР [4]. Разряды

загорались в пузырьках при на-

пряженности электрического поля

в два-три раза больше рассчитан-

ной по закону Пашена, а времена

задержки ЧР даже при этих пере-

напряжениях достигали несколь-

ких часов. Объяснение установ-

ленного факта базировалось на

запаздывании ЧР из-за отсутствия

начальных электронов. Известно,

что закон Пашена формулирует

условие самостоятельности раз-

рядов в газах, а электрический

пробой наступает при наличии на-

чального электрона, от которого

по механизму ударной ионизации

и образуется первая лавина элек-

тронов. Таким образом, закон Па-

шена формулирует необходимые

условия, а присутствие началь-

ного электрона является доста-

точным условием пробоя газового

промежутка.

Появление начальных электро

нов в полости возможно в резуль-

тате эмиссии из диэлектрика,

окружающего полость. Однако при

рабочей напряженности электри-

ческого поля эмиссия свободных

электронов ничтожно мала, и ею

можно пренебречь. Преобладает

генерация начальных электронов

при ионизации нейтральных частиц

газа радиационным фоном земли.

От воздействия ионизирующего из-

лучения в 1 см

атмосферного воз-

духа каждую секунду происходит

4–10 актов ионизации, а равновес-

ная концентрация ионов обоих зна-

ков поддерживается на уровне 700–

800 см

-3

. Принимая во внимание

малые размеры газовых пузырьков

в жидкости и полостей твердой изо-

ляции, времена запаздывания ЧР

следует ожидать большими, что

надо учитывать в методиках испы-

таний по контролю разрядной ак-

тивности. В [5] приведены числен-

ные оценки времени запаздывания

ЧР. При изменении диаметра поло-

сти от 1 до 0,1 мм расчетное время

запаздывания ЧР увеличивается

с 11 минут до 178 часов.

Задержка возникновения ЧР

в полостях или газовых пузырьках

увеличивается дополнительно при

поглощении внешнего ионизирую-

щего излучения материалами ис-

пытуемого объекта. Заметим, что

в описываемые в [4] испытания

проводились в полностью экра-

нированной кабине, сваренной из

листовой стали толщиной 2 мм,

а само помещение испытательной

лаборатории находилось в подва-

ле здания на глубине около 8 м от

уровня земли. Понятно, что фоно-

вые излучения в испытательную

ячейку практически не проникали,

что и могло явиться причиной ка-

жущегося отклонения напряжения

возникновения ЧР в пузырьках

больше значений, определяемых

на основе закона Пашена.

УЧЕТ

ЗАПАЗДЫВАНИЯ

ЧР

МЕТОДИКАХ

ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ

ИСПЫТАНИЙ

Чтобы избавиться от проблем

с начальными электронами для

открытых электродных систем

применяют подсветки ультрафи-

олетом или проникающих в за-

крытые объемы рентгеновских

излучений. В экспериментах [6]

проблема запаздывания ЧР в пу-

зырьках была решена при под-

светке испытательной ячейки

короткими (~10 нс) импульсами

рентгеновского излучения с энер-

гией до 100 кэВ.

Снижение напряжения воз-

никновения ЧР в 2–5 раз при

стандартной скорости подъема

испытательного напряжения и ис-

пользовании подсветок испытуе-

мых изоляторов ионизирующими

излучениями отмечалось в [7].

Отдельные производители для

более тщательной проверки ка-

чества опорных изоляторов при-

меняют рентгеновскую подсветку

внутреннего объема КРУЭ во вре-

мя их испытаний высоким напря-

жением [8].

Вернемся, однако, к изоляции

трансформаторов. Понятно, что

просветить стальной бак транс-

форматора рентгеновскими лу-

чами практически трудно и не-

целесообразно. В отсутствие

ионизирующей подсветки началь-

ные электроны возникают по дру-

гим механизмам. Их обсуждение

выходит за рамки данной статьи.

Отметим только, что возможные

механизмы не обеспечивают

должного для испытаний времени

задержки появления начальных

электронов в полостях и пузырь-

ках миллиметровых и субмилли-

метровых размеров. На рисунке 1

приведены временные графики

Рис

. 1.

График

изменения

во

времени

испытательного

напряжения

при

испытании

индуктированным

напряжени

ем

(

при

длительном

испытании

повышенным

напряжением

(

)

совмещенные

испытания

(

исп

пов

—

испытательное

повышенное

наибольшее

рабочее

напряжения

а)

б)

в)

исп

пов

№

2 (59) 2020

Page 4

110

воздействия испытательного на-

пряжения.

Наиболее часто используется

график «в», в котором период из-

мерения интенсивности ЧР при

повышенном напряжении соот-

ветствует отрезку времени между

точками 4 и 5. Это время обычно

укладывается в один час и может

оказаться недостаточным для

зажигания ЧР вследствие их за-

паздывания при отсутствии на-

чальных электронов. Но что за ЧР

регистрируются в приемо-сдаточ-

ных испытаниях? Чтобы ответить

на этот вопрос, надо учесть вли-

яние предыстории испытуемого

трансформатора. О возможном

зажигании ЧР в «щелевых» пу-

зырьках уже говорилось выше.

Хотя индивидуальные их размеры

маленькие, но за счет большого

числа вероятность зажигания ЧР

в каком-нибудь из пузырьков мо-

жет оказаться заметной. Добавив

гипотезы о дискутируемых меха-

низмах формирования начальных

электронов, например, через рас-

пад отрицательных ионов на стен-

ках полостей [9], получим сниже-

ние времени задержки зажигания

ЧР. Значительное влияние по-

вышенных уровней испытатель-

ных напряжений синусоидальной

формы на рост вероятности по-

явления начальных электронов

отмечено в [10].

Подтверждение влияния на

задержку и интенсивность ЧР

предыстории и предварительных

приложений повышенных уров-

ней напряжения косвенно отра-

зилось в некоторых методиках

приемо-сдаточных

испытаний

оборудования. Так в действую-

щем стандарте МЭК по испыта-

ниям силовых трансформаторов

[11] рекомендуется проводить

измерение интенсивности ЧР

при снижении испытательного

напряжения до уровня 1,3

н.р.

в течение часа после предвари-

тельного воздействия с уровнем

выдерживаемого напряжения до

н.р.

в течение 15–60 с. Отметим,

что для исключения насыщения

магнитной системы возбуждение

трансформатора при испытаниях

производится от источника на-

пряжения повышенной частоты.

При разработке стандарта об-

суждалось также предложение

заменить испытание повышен-

ным напряжением суточными ис-

пытаниями при наибольшем ра-

бочем напряжении с измерением

интенсивности ЧР. Для снижения

затрат испытания предлагалось

проводить индуктированным на-

пряжением промышленной ча-

стоты. Такое испытание априори

исключило бы риск повреждения

изоляции при испытаниях повы-

шенными напряжениями и повы-

шенной частоты.

Аналогично, в стандарте МЭК

60840 по испытаниям кабелей

[12] предписывается проводить

измерения интенсивности ЧР при

напряжении 1,3

после пред-

варительной экспозиции под на-

пряжением 1,75

. Более того,

в пусковых испытаниях кабель-

ных линий, кроме варианта с при-

менением испытательных уста-

новок повышенного напряжения,

допускаются испытания под наи-

большим рабочим напряжением

в течение суток с контролем ин-

тенсивности ЧР.

Наконец, можно вспомнить

и про комплексное опробование

оборудования при вводе его в экс-

плуатацию, которое считается

успешным при условии нормаль-

ной и непрерывной работы под

нагрузкой оборудования в течение

72 часов. При таких продолжитель-

ностях выдержки под напряжени-

ем запаздыванием ЧР в изоляции

можно и пренебречь, хотя ЧР при

опробовании в большинстве слу-

чаев не регистрируются.

ВЫВОДЫ

1. При высоковольтных испыта-

ниях оборудования с метал-

лическими корпусами и обо-

лочками (силовые трансфор-

маторы и шунтирующие реак-

торы, КРУЭ, кабели) необхо-

димо учитывать запаздывание

ЧР и, по возможности, увеличи-

вать время выдержки на этапе

измерений ЧР. Представляется

целесообразным обсудить во-

прос о замене испытаний вы-

держиваемым и повышенным

напряжением на суточные ис-

пытания под наибольшим ра-

бочим напряжением промыш-

ленной частоты.

2. Снизить влияние задержки ЧР

при испытаниях оборудования

без поглощающих оболочек

(изоляторы, концевые кабель-

ные муфты, изолированные

токопроводы, трансформато-

ры с литой изоляцией и др.)

можно с помощью подсветки

ионизирующими излучениями.

3. Влиянием запаздывания мож-

но пренебречь, если прово-

дить измерения интенсивности

ЧР в режиме опробования при

запуске оборудования в экс-

плуатацию, а системы online-

мониторинга разрядной ак-

тивности при эффективной

защите от помех видятся не-

заменимым инструментом об-

наружения развивающихся де -

фектов в процессе эксплуата-

ции оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 1516.3. Электрооборудование переменного тока

на напряжение от 1 до 750 кВ. Требования к электри-

ческой прочности изоляции. М.: Издательство стандар-

тов, 1998. 50 с.

2. ГОСТ 21023-75. Трансформаторы силовые. Методы

измерений характеристик частичных разрядов при ис-

пытаниях напряжением промышленной частоты (с Из-

менениями № 1, 2, 3, 4). М.: ИПК Издательство стан-

дартов, 1997. 17 с.

3. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных

конструкциях. Л.: Энергия, 1979. 224 с.

4. Korobeynikov S.M., Ridel A.V., Medvedev D.A., Karpov D.I.,

Ovsyannikov A.G., Meredova M.B. Registration and simu-

lation of partial discharges in free bubbles at AC voltage.

IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,

vol. 26, iss. 4, Aug. 2019, pp. 1035-1042.

5. Bartnicas R. A Comment Concerning the Rise Times of

Partial Discharge Pulses. IEEE DEIS, 2005, vol. 12, no. 2,

pp. 196-202.

6. Korobeynikov S.M., Ridel A.V., Karpov D.I., Ovsyannikov

A.G. Mechanism of partial discharges in free helium bub-

bles in transformer oil. IEEE Transactions on Dielectrics

and Electrical Insulation, 2019, vol. 26, iss. 5, pp. 1605-

1611.

7. Braun J.M., Rizzetto S., Fujimoto N., Ford G.L. Modulation

of Partial Discharge Activity in GIS Insulators by X-ray Ir-

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Page 5

111

radiation. IEEE Transactions on Electrical Insulation, June

1991, vol. 26, no. 3, pp. 460-468.

8. Fuhrmann H., Riechert U., Troger A. Pulsed X-ray induced

partial discharge measurements – a new testing technique

for HV insulation. Proc. CIGRE Session, Paris, 2010. Re-

port D1, 206 p.

9. Овсянников А.Г. Пространственно-временные и энер-

гетические характеристики частичных разрядов в воз-

душных полостях твердых диэлектриков. Дис. … канд.

техн. наук. Новосибирск, 1977. 165 с.

10. Hummel R., Arnhard J., Gebhardt D., Plath R. Inception

time delay for internal partial discharges. Proc. 19th Int.

Symp. on High Volt. Eng., 2015, 473 p.

11. IEC 60076-3 – Power transformers – Part 3: Insulation lev-

els, dielectric tests and external clearances in air.

12. ГОСТ Р МЭК 60840-2011. Кабели силовые с экструди-

рованной изоляцией и арматура к ним на номиналь-

ное напряжение свыше 30 кВ (

= 36 кВ) до 150 кВ

(

= 170 кВ). Методы испытаний и требования к ним.

М.: Стандартинформ, 2017. 53 с.

REFERENCES

1. State Standard GOST 1516.3. Electrical equipment for

a.c. voltages from 1 to 750 kV. Requirements for dielectric

strength of insulation. Moscow, Publishing House of

Standards, 1998. 50 p. (In Russian)

2. State Standard GOST 21023-75. Power transformers.

Methods of measuring partial discharge characteristics

during power frequency voltage testing (with amendments

no. 1, 2, 3, 4). Moscow, IPC Publishing House of Standards,

1997. 17 p. (In Russian)

3. Kuchinskiy G.S. Partial discharges in HV constructions.

Leningrad, Energiya Publ., 1979. 224 p. (In Russian)

4. Korobeynikov S.M., Ridel A.V., Medvedev D.A., Karpov

D.I., Ovsyannikov A.G., Meredova M.B. Registration and

simulation of partial discharges in free bubbles at AC volt-

age. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insu-

lation, vol. 26, iss. 4, Aug. 2019, pp. 1035-1042.

5. Bartnicas R. A Comment Concerning the Rise Times of

Partial Discharge Pulses. IEEE DEIS, 2005, vol. 12, no. 2,

pp. 196-202.

6. Korobeynikov S.M., Ridel A.V., Karpov D.I., Ovsyannikov

A.G. Mechanism of partial discharges in free helium bub-

bles in transformer oil. IEEE Transactions on Dielectrics and

Electrical Insulation, 2019, vol. 26, iss. 5, pp. 1605-1611.

7. Braun J.M., Rizzetto S., Fujimoto N., Ford G.L. Modulation

of Partial Discharge Activity in GIS Insulators by X-ray Ir-

radiation. IEEE Transactions on Electrical Insulation, June

1991, vol. 26, no. 3, pp. 460-468.

8. Fuhrmann H., Riechert U., Troger A. Pulsed X-ray induced

partial discharge measurements – a new testing technique

for HV insulation. Proc. CIGRE Session, Paris, 2010. Re-

port D1, 206 p.

9. Ovsyannikov A.G. Spatial-temporal and energy

characteristics of partial discharges in air cavities of

solid dielectrics. Thesis… PhD in Technical sciences.

Novosibirsk, 1977. 165 p. (In Russian)

10. Hummel R., Arnhard J., Gebhardt D., Plath R. Inception

time delay for internal partial discharges. Proc. 19th Int.

Symp. on High Volt. Eng., 2015, 473 p.

11. IEC 60076-3 – Power transformers – Part 3: Insulation lev-

els, dielectric tests and external clearances in air.

12. State Standard GOST R IEC 60840-2011. Power cables

with extruded insulation and their accessories for

rated voltages above 30 kV (

= 36 kV) up to 150 kV

(

= 170 kV). Test methods and requirements. Moscow,

Standardinform Publ., 2017. 53 p. (In Russian)

На прав

ах рек

ламы

№

2 (59) 2020

Оригинал статьи: Влияние запаздывания на напряжение возникновения частичных разрядов в изоляции трансформатора

Ключевые слова: трансформатор, изоляция, частичный разряд, задержка, напряжение возникновения, начальный электрон

Читать онлайн

Рассмотрены типичные дефекты в изоляции силовых трансформаторов в виде газовых пузырьков и прослоек масла, в которых при некоторых условиях могут возникнуть частичные разряды. Экспериментально установлено, что задержка зажигания частичных разрядов в газовом пузырьке может достигать часов в отсутствие начального электрона, инициирующего развитие разряда при достаточной напряженности электрического поля. Начальные электроны генерируются преимущественно внешними ионизирующими излучениями, проникновение которых во внутренний объем трансформатора затруднено металлическими стенками бака. По этой причине длительность испытаний повышенным напряжением может оказаться недостаточной для обнаружения потенциально опасных дефектов изоляции.