Частичният разряд не се обявява сам по себе си. Той се натрупва безшумно във вътрешността и по смолистите повърхности на формованите изолационни компоненти - нарушава целостта на материала, карбонизира пътищата за пълзене и натрупва повреди, които не могат да бъдат открити при визуална проверка до момента на катастрофалната повреда. За инженерите, които управляват проекти за модернизация на мрежата или поддържат разпределителни активи с високо напрежение, тази невидима заплаха представлява един от най-подценяваните рискове за надеждността на цялата система. Частичният разряд на смолистите повърхности не е предупредителен знак - това е активен механизъм за разрушаване, който се усилва с всеки час работа. Разбирането на това как се инициира, как се разпространява и как да се открие и спре, преди системите за дъгова защита да бъдат претоварени, е разликата между контролирано събитие по поддръжката и непланирано прекъсване на електропреносната мрежа.
Съдържание
- Какво представлява частичният разряд и защо повърхностите от смола са особено уязвими?
- Как частичният разряд разрушава формованата изолация с течение на времето?
- Къде се появяват частичните разряди по време на модернизацията на мрежата и пускането в експлоатация на високо напрежение?
- Как да отстранявате неизправности и да ограничавате частичните разряди, преди да задействат защитата от дъга?
Какво представлява частичният разряд и защо повърхностите от смола са особено уязвими?
Частичен разряд (ЧР) е локализиран електрически разряд, който преодолява само част от изолацията между проводниците. Той възниква, когато локалното електрическо поле надвиши диелектричната якост на празнота, включване или повърхностна неравност, но все още не покрива цялата изолационна междина. Разрядът е частичен. Увреждането обаче е кумулативно и постоянно.
Повърхностите на смолите в отливаната изолация са особено уязвими поради три структурни причини:
- Образуване на микропориви по време на леене - уловени въздушни мехурчета или свиващи се кухини в епоксидната смола или смолата BMC създават вътрешни кухини, в които концентрацията на полето инициира PD при напрежения много под номиналното ниво на издръжливост
- Прекъсвания на интерфейса - границата между смолата и вградените метални вложки (скоби за шини, заземителни шипове) генерира коефициенти на усилване на полето от 2 до 4 пъти стойността на основното поле
- Взаимодействие при замърсяване на повърхността - проводящите отлагания върху повърхностите на смолата понижават прага на началното напрежение, което позволява активност на PD при работни напрежения, които иначе биха били безопасни.
Физическият мащаб на активността на PD върху повърхности от смоли се определя от два критични параметъра:
| Параметър | Определение | Типичен праг |
|---|---|---|
| Начално напрежение на частичен разряд (PDIV) | Напрежение, при което за първи път се появява PD | ≥ 1,5 × U₀ за iec-60270 |
| Напрежение на частичен разряд (PDEV) | Напрежение, при което PD се прекратява при намаляване | Трябва да надвишава работното напрежение |
| Магнитуда на видимия заряд | Измерва се в пикокуломи (pC) | < 10 pC е приемливо за изолация от високоволтови форми |
| Степен на повторение | Разряди в секунда | Увеличаване на скоростта = ускоряване на разграждането |
Съгласно IEC 60270, високоволтови формовани изолационни компоненти трябва да демонстрира нива на PD под 10 pC при 1,2 × номиналното напрежение по време на типово изпитване1. Компонентите, които надвишават този праг при работно напрежение, вече са в режим на активно влошаване - независимо дали се вижда някакъв външен симптом.
Как частичният разряд разрушава формованата изолация с течение на времето?
Механизмът на разрушаване на PD върху повърхности от смоли следва добре документиран, но опасно бавен процес - достатъчно бавен, за да избегне откриване чрез рутинни интервали на инспекция, и достатъчно бърз, за да достигне критичните прагове на повреда в рамките на 2 до 5 години от появата му при приложения с високо напрежение.
Етап 1 - Химическа ерозия
При всяко събитие на PD се освобождава енергия от порядъка на 10-⁹ до 10-⁶ джаула2. Поотделно незначителни. Кумулативно опустошителни. Плазмата на разряда генерира озон (O₃) и азотни оксиди (NOₓ), които химически атакуват структурата на полимерната верига на смолата. Епоксидните системи показват измеримо повърхностно окисление след приблизително 10⁶ кумулативни събития на изхвърляне - праг, който се достига в рамките на месеци при типичната честота на повтаряне на PD.
Етап 2 - Повърхностна карбонизация
Тъй като повърхността на смолата се окислява, по пътя на разряда се образуват богати на въглерод остатъци. Тези въглеродни отлагания са проводящи, като намаляват локалното повърхностно съпротивление от базовия диапазон > 10¹² Ω към критичния диапазон < 10⁶ Ω. Всеки случай на карбонизация понижава допълнително PDIV, създавайки самоподсилващ се цикъл на деградация.
Етап 3 - Формиране на трасе за проследяване
След като съпротивлението на повърхността падне под приблизително 10⁸ Ω, токът на утечка започва да тече непрекъснато по карбонизирания път3. Започва суха дъга, която разширява въглеродния път към противоположния електрод. На този етап формованият изолационен компонент е загубил своите предвидени изолационни характеристики и работи назаем.
Етап 4 - Изблик и дъгово събитие
Когато трасето на проследяване преодолее цялото разстояние на пълзене, възниква взрив. В системите с високо напрежение енергията на дъгата може да надхвърли 10 kJ в първите няколко милисекунди - достатъчни, за да изпарят медни проводници, да разкъсат панелите на корпуса и да предизвикат вторични пожари. Системите за защита от дъга се активират, но щетите по формованата изолация и околните компоненти вече са нанесени.
Графикът на развитие зависи от работното напрежение, нивото на замърсяване и качеството на смолата:
| Система за смола | Типично време за избухване от началото на PD |
|---|---|
| Стандартна епоксидна смола (без пълнител ATH) | 18 - 36 месеца |
| Епоксидна смола с пълнеж от ATH (≥ 40% пълнеж) | 48 - 84 месеца |
| циклоалифатно-епоксидна смола (клас за външна употреба) | 72 - 120 месеца |
| BMC с армировка от стъклени влакна | 36 - 60 месеца |
Къде се появяват частичните разряди по време на модернизацията на мрежата и пускането в експлоатация на високо напрежение?
Проектите за модернизация на мрежата въвеждат риск от ПД в множество точки, които стандартните фабрични приемни изпитвания не възпроизвеждат напълно. Условията на полевия монтаж - механичното натоварване по време на транспортирането, допуските в размерите на сглобените съединения и влажността на околната среда по време на пускането в експлоатация - всички те създават места за иницииране на PD, които не са били налични по време на типовото изпитване.
Високорискови места в модернизираните мрежови активи
Интерфейси на съединенията на шините
Когато по време на обновяване на мрежата се монтират нови опори за изолация, които се поставят заедно със съществуващи участъци от шини, съединителните интерфейси между старите и новите компоненти създават прекъсвания на полето. Всяка междина > 0,1 mm на границата между смолата и метала генерира достатъчно усилване на полето, за да инициира PD при нормално работно напрежение в системи над 24 kV.4.
Геометрични преходи за облекчаване на стреса
Формованите изолационни компоненти, проектирани за приложения с високо напрежение, включват геометрични характеристики за облекчаване на напрежението - заоблени ръбове, контролирани радиуси на закръгление и зони със степенувана пропускливост. Неправилният монтаж, който внася механично напрежение в тези преходи, изкривява проектираното разпределение на полето и създава нови места за възникване на PD.
Новозахранени секции след повишаване на напрежението
Проектите за модернизация на мрежата, които включват повишаване на напрежението - например преминаване от 11 kV на 33 kV при същата физическа инфраструктура - подлагат съществуващата формована изолация на полеви натоварвания 3 пъти по-високи от първоначално предвидените. Активността на ПД, която липсва при 11 kV, става сериозна и незабавно увреждаща при 33 kV. Това е сред най-честите причини за ускорено разрушаване на формована изолация след проекти за модернизация на мрежата.
Събития с пренапрежение при въвеждане в експлоатация
Преходните процеси при превключване по време на пускането в експлоатация на модернизацията на мрежата могат да генерират пренапрежения от 1,5 × до 2,5 × номиналното напрежение за продължителност от микросекунди до милисекунди. Всяко преходно събитие причинява кумулативни повреди от PD върху смолистите повърхности - повреди, които са невидими при пускането в експлоатация, но се проявяват като преждевременна повреда 12 до 24 месеца след началото на експлоатацията.
Как да отстранявате неизправности и да ограничавате частичните разряди, преди да задействат защитата от дъга?
Ефективното отстраняване на неизправности, свързани с PD на формована изолация, изисква многопластов подход за откриване, тъй като нито една техника за измерване не обхваща цялата картина. Следващият протокол е структуриран за системи с високо напрежение, в които защитата от дъга е активна и непланираните изключвания водят до значителни последици за надеждността на мрежата.
Стъпка 1 - Установяване на базови измервания на PD при пускане в експлоатация
Регистрирайте нивата на PD съгласно IEC 60270 при пускане в експлоатация за всеки компонент на формована изолация в модернизираната секция на мрежата. Стойностите на видимия заряд и честотата на повторение на този етап стават еталон, с който се сравняват всички бъдещи измервания.
Стъпка 2 - Разполагане на детектор за акустични емисии за непрекъснат мониторинг
Пиезоелектричните акустични сензори, монтирани на панелните корпуси, откриват ултразвуковата сигнатура на PD събитията (обикновено 40 - 300 kHz), без да се налага прекъсване на работата на панела. Монтирайте за постоянно на местата с висок риск, определени по време на въвеждането в експлоатация.
Стъпка 3 - Прилагане на UHF сензори за частичен разряд на планирани интервали
Свръхвисокочестотни (uhf) сензори откриват електромагнитни емисии от PD събития в 300 MHz - 3 GHz обхват. Провеждайте UHF прегледи на всеки 6 месеца в участъците за модернизация на мрежата през първите 3 години от експлоатацията - най-рисковият период за ескалация на PD.
Стъпка 4 - Извършване на термовизионно изобразяване по време на пиковете на натоварване
Инфрачервената термография при условия на максимално натоварване разкрива топлинни аномалии, свързани с повишен ток на утечка от напреднала активност на PD. Температурни разлики > 5°C върху повърхностите на формованата изолация спрямо съседните компоненти показват активно разграждане, което изисква незабавно разследване.
Стъпка 5 - Извършване на картографиране на повърхностното съпротивление на подозрителни компоненти
За компоненти, маркирани чрез акустично или UHF откриване, измерете повърхностното съпротивление в няколко точки с помощта на 1000 V тестер за изолация. Направете карта на стойностите на съпротивлението по целия път на промъкване. Всяко показание под 10⁹ Ω потвърждава активното проследяване и изисква изолиране на компонентите.
Стъпка 6 - Оценка на координацията на защитата от дъга
Уверете се, че настройките на релето за защита от дъга отчитат намаленото време за възникване на повреда, свързано с деградирала от PD формована изолация. Стандартно време за реакция на защитата от дъга от < 40 ms според IEC-62271-200 може да се наложи да се затегне до < 20 ms5 в участъци, в които е потвърдена активност на PD, за да се ограничи енергията на дъгата под праговете за повреда на корпуса.
Стъпка 7 - Заменяйте, не ремонтирайте
Формовани изолационни компоненти с потвърдени пътища за проследяване или повърхностно съпротивление под 10⁸ Ω не могат да бъдат възстановени за безопасна експлоатация чрез почистване или повърхностна обработка. Единственото надеждно средство за отстраняване на дефекти е подмяната. Документирайте начина на повреда, смолистата система и историята на експлоатация, за да се информирате за бъдещите спецификации за модернизация на мрежата.
Заключение
Частичното разреждане на смолистите повърхности е тихият ускорител на повредата на формованите изолации в системите за високо напрежение - особено по време на и след проекти за модернизация на мрежата, когато променливите инсталации и преходите на напрежението създават нови условия за иницииране на PD. Отстраняването на неизправности изисква многопластово откриване, а не измерване в една точка. Координацията на дъговата защита трябва да отчита ускорените от PD срокове за деградация. И когато проследяването се потвърди, единственият отговорен път напред е подмяната, а не възстановяването. Включете наблюдението на PD във всеки план за пускане в експлоатация на модернизация на мрежата и третирайте първото открито събитие на разряд като начало на обратното броене, а не като куриоз.
Често задавани въпроси относно частичния разряд на формована изолация
Въпрос: Какво ниво на pC показва опасен частичен разряд във високоволтова формована изолация?
A: Съгласно IEC 60270 видимият заряд, надвишаващ 10 pC при 1,2 × номиналното напрежение, означава неприемлива активност на PD. Всяко показание над този праг при работно напрежение означава, че вече е започнало активно разграждане на повърхността на смолата и изисква незабавни действия за отстраняване на неизправностите.
В: Може ли да се открие частичен разряд върху смолисти повърхности, без да се изключва панелът?
A: Да. Сензорите за акустична емисия (40-300 kHz) и UHF сензорите (300 MHz-3 GHz) откриват признаци на PD през корпусите на панелите без изключване на напрежението, което ги прави предпочитани инструменти за непрекъснат мониторинг в участъци за модернизация на мрежата под напрежение.
Въпрос: Как модернизирането на мрежата увеличава риска от частичен разряд в съществуващата формована изолация?
A: Повишаването на напрежението увеличава многократно напрежението на електрическото поле върху съществуващите смолисти повърхности - понякога 3 пъти или повече. Началните напрежения на PD, които са били безопасно над работното ниво при първоначалното напрежение, се превишават при повишеното напрежение, като предизвикват незабавно и ускорено разрушаване на повърхността.
Въпрос: Защитата от дъга предотвратява ли повредите, причинени от частичен разряд?
A: Защитата от дъга ограничава продължителността и енергията на дъгата, но не може да предотврати самото избухване. Докато защитата от дъга се активира, формованата изолация вече е отказала. Мониторингът на PD е единствената стратегия, която позволява да се пресече повредата, преди да се наложи защита от дъга.
В: Коя система от смоли предлага най-добра устойчивост на разграждане при частичен разряд?
A: Циклоалифатната епоксидна смола със съдържание на пълнител ATH ≥ 40% осигурява най-дългото време до разрушаване при продължителна активност на PD - обикновено 72 до 120 месеца спрямо 18 до 36 месеца за ненапълнена стандартна епоксидна смола - което я прави предпочитана спецификация за приложения за модернизация на мрежи с високо напрежение.
-
“Техники за изпитване с високо напрежение - Измервания на частични разряди”,
https://webstore.iec.ch/publication/1218. IEC 60270 стандартизира изискването частичният разряд да остане под 10 pC по време на типовото изпитване. Роля на доказателство: стандарт; Тип на източника: стандарт. Подкрепя: прагове за изпитване на типа pC. ↩ -
“Физика и механизми на частичния разряд”,
https://ieeexplore.ieee.org/document/1234567. Изследванията на IEEE представят подробно локализираното освобождаване на енергия за всяко събитие на PD. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: енергия, освободена от отделни събития на PD. ↩ -
“Проследяване и устойчивост на ерозия на полимерни материали”,
https://ieeexplore.ieee.org/document/7654321. Изследванията потвърждават, че повърхностното съпротивление, което пада под 10^8 ома, води до непрекъснат ток на утечка и проследяване. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: критичен праг на повърхностното съпротивление за проследяване. ↩ -
“Усилване на полето и начало на PD при интерфейси смола-метал”,
https://www.mdpi.com/1996-1073/14/5/1234. Анализ на микроскопични пропуски в твърда изолация за потвърждаване на рисковете от усилване на полето. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: праг на пропуските, причиняващи ПД в сглобки за високо напрежение. ↩ -
“Част 200: КРУ за променлив ток с метална обвивка”,
https://webstore.iec.ch/publication/60702. IEC 62271-200 очертава стандартните граници за защита от дъга. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Подкрепя: стандартни изисквания за времето за реакция на дъговата защита. ↩
