Частичные разряды относятся к локализованным электрическим разрядам, которые частично перекрывают изоляцию между проводниками при высокой напряженности электрического поля. ЧР можно разделить на три основных типа: внутренний разряд, поверхностный разряд и коронный разряд. Среди них коронный разряд характеризуется высокой интенсивностью и устойчивым соотношением сигнал/шум, что делает его особенно заметным. И наоборот, как поверхностные, так и внутренние ЧР имеют меньшую интенсивность, и их обнаружение может быть затруднено шумовыми помехами.

Появление коронного разряда на внешней поверхности высоковольтного электрооборудования ускоряет старение изоляции и может усугубить загрязнение поверхности или влияние влажности окружающей среды. Агрессивные химические элементы, появляющиеся в результате взаимодействия азота с атмосферными газами постепенно разрушают металлическую арматуру, а жесткое УФ излучение ускоряет деградацию полимерной изоляции. Помимо химического воздействия, коронные разряды могут также нанести физический ущерб, вплоть до образования отверстий в материалах, в том числе неорганических.

Неисправности вращающихся машин среднего (MV) и высокого напряжения (HV) так же могут быть следствием частичных разрядов: факторы, приводящие к увеличению разрядной активности в изоляции обмоток статора, включают дефекты изоляции, загрязнение и старение. Это может создавать участки перенапряжения в ослабленных местах, где могут произойти разряды. Примерно 37% неисправностей генераторов и двигателей высокого напряжения вызваны ухудшением изоляции.

1. Описание теста

Стандарт IEEE1799-20229 представляет методологию оценки чувствительности приборов для визуализации коронного разряда, таких как УФ-камеры и устройства формирования акустических изображений, с использованием настройки неоднородного поля иглы-плоскости. Метод включает сравнительный тест на чувствительность человеческого глаза при определении напряжения начала разряда (Uнр) и напряжения гашения разряда (Uгр) на кончике иглы.

Протокол испытаний состоит из двух этапов. Первоначально Uнр определяется невооруженным глазом в полной темноте после 20-минутного периода кондиционирования. Впоследствии оцениваемый прибор используется для выполнения того же теста. Испытание прибора для визуализации коронного разряда можно проводить при обычном комнатном освещении.

Учитывая, что чувствительность человеческого глаза в условиях затемнения надежно использовалась в предыдущих испытаниях, она служит ориентиром для чувствительности Uнр прибора. Таким образом, даже если испытательная установка или условия окружающей среды незначительно различаются у разных операторов, минимальные требования к чувствительности всегда сравниваются с чувствительностью человеческого глаза в тех же условиях.

Окончательный критерий приемлемости заключается в том, что напряжение Uнр, обнаруженное с помощью прибора для визуализации коронного разряда, должно находиться в пределах 1 кВ от значения, наблюдаемого невооруженным глазом после нахождения в полной темноте в течение как минимум 20 минут. Допуск 1 кВ определяется из-за изменчивости человеческого глаза.

Если прибор для визуализации коронного разряда не соответствует этому критерию, он считается недостаточно чувствительным для обнаружения внешних разрядов во вращающихся машинах.

2. Методология

Используя рекомендации IEEE1799, для сравнения эффективности теста затемнения и камеры УФ была использована следующая методология.

Эксперимент состоял из двух основных этапов: испытания на затемнение и испытания камеры с коронным разрядом.

2.1. Тест на затемнение:

Тест на затемнение проводится в полностью затемненной комнате, где сидят три человека в течение 20 минут, чтобы повысить их зрительную чувствительность. Источник ЧР смоделирован путем использования тонкой медной иглы с положительным напряжением, которая размещена на расстоянии 1 дюйма от алюминиевой заземленной пластины, с регулируемой разностью потенциалов от 0 до 10 кВ. Напряжение постепенно увеличивается до тех пор, пока участники не увидят «свечение». Данное напряжение фиксируется и оно является напряжением начала разряда «Uнр». После того, как все участники увидели разрядную активность, напряжение постепенно снижается до тех пор, пока свечение больше не перестанет наблюдаться, таким образом фиксируется напряжение гашения разряда «Uгр». Uнр, Uгр и восприятие участников документируются.

2.2. Тест УФ камеры:

Две разные модели «солнечно-слепых» ультрафиолетовых камер  расположены на фиксированном расстоянии (2 метра) от источника коронных разрядов (ЧР). Напряжение постепенно повышают для выявления Uнр, в котором обнаруживается начальное свечение (в УФ камерах под начальным свечением понимается сигнал с нестабильной частотой и локализацией). Результаты на экране камеры записываются. Дальнейшие приращения напряжения применяются для определения точки, в которой можно точно определить ЧР. Затем напряжение снова уменьшают до тех пор, пока точечный источник не исчезнет и не останется только свечение, соответствующее Uгр.

На уровне Uнр расстояние между источником и камерами постепенно увеличивается, и для каждой модели камеры измеряется максимальное расстояние, на котором может быть обнаружен ЧР.

3. Проведение теста

Для теста затемнения использовалась специальная темная комната, обеспечивающая полное отсутствие внешнего света. Источник ЧР представлял собой тонкую медную иглу, помещенную рядом с алюминиевой пластиной с регулируемой разностью потенциалов. Участники располагались перед источником на расстоянии 2 метров от контролируемого образца.

Для испытания камеры УФ использовались две разные модели УФ-камер. Они были расположены на фиксированном расстоянии 2 метра от источника ЧР. Напряжение регулировали с помощью лабораторного трансформатора и наблюдали за появлением разряда на экранах камер.

Принцип работы УФ камеры

4. Результаты теста

Тест на затемнение показал, что при напряжении 3,53 кВ один участник смог наблюдать неясное свечение, тогда как двое других участников его не заметили. Повышение напряжения до 3,61 кВ привело к тому, что все трое участников наблюдали неясное свечение. Дальнейшее повышение напряжения привело к неопределенной точке из-за полной темноты в помещении, а свечение исчезло при снижении напряжения до 3,3 кВ.

Схема испытательной тестовой установки

В тесте УФ камеры на экране камеры было обнаружено начальное свечение при напряжении 3,2 кВ. При напряжении 3,5 кВ камеры смогли обнаружить точечный источник, что позволило обеспечить точное определение местоположения разрядной активности. Снижение напряжения до 3,4 кВ привело к исчезновению точечного источника, осталось только свечение. Свечение полностью исчезало при напряжении 3,1 кВ.

Дополнительно исследовалось расстояние между источником ЧР и камерами. Модель 1 обнаруживала разряд на расстоянии до 4 метров, а модель 2 имела дальность обнаружения до 5 метров. Эти результаты показывают, что тест УФ камеры обеспечивает лучшие возможности обнаружения, особенно с точки зрения точного определения места разряда, по сравнению с тестом на затемнение. «Модель 1» — камера начального уровня, «Модель 2» — камера высокого класса.

5. Выводы

Испытание на затемнение – распространенный, не дорогой и доступный метод обнаружения коронного разряда в электрооборудовании. В этой работе изучалась возможность предоставления альтернативы, которая была бы более простой и подходящей для локализации внешних ЧР в рабочем режиме контролируемого оборудования.

При использовании УФ камер было обнаружено несколько преимуществ по сравнению с тестом на затемнение. Проведение испытаний в затемненном помещении, особенно с источниками высокого напряжения, создает проблемы с точки зрения безопасности и логистики. Однако внешнее тестирование ЧР с помощью УФ камеры устраняет эти проблемы, позволяя работать в хорошо освещенных помещениях и устраняя необходимость в специальных процедурах настройки. Точность обнаружения ЧР значительно повышается с помощью камеры УФ, что улучшает диагностические возможности. В отличие от теста на затемнение, который требует 20-минутного периода адаптации в темноте и подвержен задержкам из-за случайного воздействия света, тестирование ЧР с помощью УФ камеры позволяет немедленно начать тестирование, оптимизируя этот процесс.

Эти преимущества подчеркивают превосходство внешнего тестирования ЧР с использованием УФ камеры с точки зрения получения четких и надежных результатов, обеспечения безопасности оператора, обеспечения точного определения местоположения, упрощения логистики, ускорения процедур тестирования и расширения диагностических возможностей за счет увеличения угла обзора.

Дополнительные преимущества заключаются в цифровой записи и возможности совмещения видимого и УФ изображения, а так же в наличии инструментов количественного анализа коронного разряда для более полной оценки состояния оборудования.

Рекомендации для будущих исследований в этой области заключаются в том, чтобы провести аналогичные эксперименты в лаборатории с использованием других инструментов визуализации, таких как акустические устройства формирования изображений, и продолжить исследования по созданию стандарта чувствительности к ЧР УФ камер и акустических устройств формирования изображений при диагностировании  электрооборудования.

Материал предоставлен компанией OFIL Systems по итогам презентации на Международном Совете по электрическим системам высокого напряжения 2023 CIGRE.