Высоковольтный разряд является источником электромагнитного излучения в широком диапазоне длин электромагнитных волн, что позволяет выполнять диагностику электрооборудования оптическими методами для выявления ухудшенного состояния изоляции на ранней стадии развития дефекта. Ранее (https://www.energoskan.ru/news/95.html) мы рассматривали метод ультрафиолетового контроля с применением специализированных камер дневного спектра. В данной статье более подробно рассмотрим причину появления УФ излучения при возникновении разрядов в воздушной среде и принципы их обнаружения.

В нормальном состоянии большинство газов является диэлектриками.  Для протекания тока необходима ионизация газа. Ионизация – образование в газе заряженных частиц (ионов и свободных электронов), в свою очередь она может быть ударной и термической.  

Термическая ионизация обусловлена движением атомов и молекул газовой среды в произвольных направлениях, заряженные частицы возникают в результате соударения электронных оболочек атомов и молекул между собой. При высоких температурах энергия соударениями частиц достаточна для отрыва электрона с орбитали и вещество переходит в состояние плазмы. Наиболее интенсивно этот процесс происходит при температуре в десятки тысяч градусов С⁰. Механизм ударной ионизации схож с термической, за исключением того, что соударение происходит с заряженной частицей (ионом или электроном).  Основным механизмом ионизации в нормальных условиях является ударная ионизация – заряженные частицы возникают в результате спонтанной ионизация отдельных атомов и молекул.

В электромагнитном поле электростатические силы обуславливают ускоренное движение заряженных частиц (ионы движутся к отрицательно заряженному электроду, а электроны к положительно заряженному), что может вызвать лавинообразный процесс при достаточной напряженности электрического поля.

Перенос заряда обеспечивает протекание тока. Связь между атомами в молекулярном газе (азот, кислород и т.д.) образуется за счет образования общей для молекулы электронной орбитали. Ионизация молекулярного газа чаще всего происходит за счет выбивания атома общей орбитали, в результате чего молекула разделяется на атомы и свободный электрон. Распад молекул кислорода и образование сводных атомов приводит к тому, что при последующей рекомбинации часть атомов кислорода образуют не устойчивую форму молекулы озона (О3).

Такое соединение назовется озон. Озон очень сильный окислитель и способен окислить даже азот, что приводит к образованию закиси оксида азота. При взаимодействии азота с атмосферной влагой получается азотная кислота, которая приводит к повышенному коррозионному износу железной арматуры и стальных сердечников проводов.

В поле переменного тока, в результате изменения полярности поля заряженные частицы совершают колебательные движения около нулевого положения.  При каждом перемещении происходят новые соударения, и количество ионизированных молекул стремительно увеличивается. Поэтому ионизация газа в поле переменного тока существенно выше, чем в поле постоянного тока при прочих равных условиях.

В поле переменного тока, в результате изменения полярности поля заряженные частицы совершают колебательные движения около нулевого положения.  При каждом перемещении происходят новые соударения, и количество ионизированных молекул стремительно увеличивается. Поэтому ионизация газа в поле переменного тока существенно выше, чем в поле постоянного тока при прочих равных условиях.

При столкновении положительного иона и свободного электрона возможна их рекомбинация и удержание электрона на орбитали атома. Рассмотрим процесс такого взаимодействия на примере атома азота, который потерял 1 электрон с обитали с низким энергетическим уровнем. Электрон улавливается положительно заряженным ионом, при этом такой электрон обычно имеет более высокую энергию и размещается на более высоко энергетической орбитали чем в состоянии покоя.

По закону стремления системы к минимально возможному уровню энергии «пойманный» электрон переходит  на низко энергетическую орбиту.  Излишек энергии выделяется в виде фотонов с энергией равной разнице в энергетических уровнях орибиталей. Энергия излучения и следовательно длина волны будут зависеть от разницы энергетических уровней орбиталей между которыми осуществляется переход.

При этом энергетический спектр излучения будет зависть от конфигурации электронной оболочки атома – то есть от вида вещества. Так как длина волны и энергия излучения связаны, то для каждого вещества существует конечный набор длин волн излучения, что подтверждается на практике. Спектральная гамма излучения соответствует длине волны равной наиболее вероятной энергии перехода для данного вещества так как возможны разные варианты расположения удержанных электронов по обителям.

Воздух - это смесь:

-Азота 70 %

-Кислорода 16%

-Углекислого газа 14%.

Таким образом цвет разряда будет состоять из смеси цветов характерных этим газам. Цвет разряда в атмосферном воздухе определяет азот, так как его содержание самое высокое, он дает цвет близкий к ксенону, но более насыщенный белым, что мы можем видеть в коронных и дуговых разрядах. Помимо видимого спектра (белого цвета), в азоте возникает излучение ультрафиолетового диапазона и другие виды излучения.

При слабых коронных разрядах спектр излучения сильно смещён в сторону коротких волн, поэтому такие разряды сложно обнаружить визуально, а также при тепловизионном методе обследования. Для этих целей применяются специализированные ультрафиолетовые камеры, матрица которых специально предназначена для получения изображения в спектре излучения, испускаемого электрическими разрядами в дальнем ультрафиолетовом диапазоне.

УФ-А (315-400 нм)

УФ-B (280-315 нм)

УФ-C (100-280 нм).

При прохождении солнечного света сквозь атмосферу, все УФ-С лучи и примерно 90% УФ-В лучей поглощаются озоном, парами воды, кислородом и углекислым газом. Поэтому УФ-излучение, достигающее поверхности Земли, в основном состоит из УФ-А лучей и незначительного количества УФ-В лучей. Таким образом при диагностике изоляции УФ камерой в условиях отсутствия внешних помех от солнца и других источников реализуется возможность точного обнаружения коронных разрядов на изоляции высоковольтного оборудования среднего, высокого и сверхвысокого класса напряжения при дневном обследовании. В современных камерах реализована возможность наложения УФ изображения на видимое, что позволяет точно локализовать дефектный узел, а также имеется количественный расчёт интенсивности разрядно активности для оценки степени развития дефекта.

В качестве заключения стоит отметить, что электрические разряды излучают электромагнитные волны в широком диапазоне частот, при этом значительная часть спектра смещена в ультрафиолетовый диапазон и слабые разряды практически не проявляются в видимом и ИК спектре. Это затрудняет выявление дефектов на высоковольтном электрооборудовании традиционными средствами. Для обнаружения таких дефектов используются специализированные камеры (ультрафиолетовые дефектоскопы) с функцией съёмки в ультрафиолетовом и видимом спектре и счётчиком разрядной активности. Коронирование не только является признаком дефекта, но и способствует появлению кислот, агрессивно влияющих на арматуру и изоляцию.

Выполнение ультрафиолетового обследования требует наличия собственной лаборатории, применения дорогостоящего оборудования и привлечения аттестованных специалистов не ниже II квалификационного уровня. Эти работы выполняют крупные сетевые организации в рамках обследования собственного оборудования, а также не многочисленные специализированные организации, имеющие аттестацию в области УФК. Компания ООО «УТЦ Энергоскан» предлагает квалифицированные услуги по выполнению УФ контроля электросетевого оборудования, а также диагностике изоляции статоров силовых электродвигателей и генераторов УФ методом.