Диагностика изоляции коммутационных аппаратов

 

Свойства изоляционных материалов. Диэлектрические материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей коммутационных аппаратов. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции, как вакуум, элегаз, воздух, нефтяные и искусственные масла, твердые диэлектрики. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала:

- механические - плотность и вес материала, прочность;

- теплофизические - теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть;

- электрофизические - диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, триингостойкость (триинг - образование разветвленной микроструктуры в виде объемной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, состоящей преимущественно из воды);

- физико-химические - химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик” Они возникают в процессе изготовления электроизоляционной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе эксплуатации, например в результате вибрации или механических напряжений. Наличие пор и, связанное с ними, возникновение ионизационных явлений, является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации – старения диэлектриков.

Старение диэлектрика (постепенное его изменение, сопровождающееся ухудшением или полной потерей изоляционных свойств) вызывается процессами, связанными с химическими, тепловыми, механическими и электрическими воздействиями. Эти процессы действуют одновременно и являются взаимосвязанными. К химическим процессам ухудшения органических изоляционных материалов относятся окисление и реакции с агрессивными компонентами окружающей среды, которым благоприятствует наличие влаги и повышенная температура. При нагреве, вследствие внешних причин и диэлектрических потерь, износ материала сопровождается распадом вещества, появлением хрупкости, снижением электрической прочности. К основным явлениям старения относятся также физические и химические изменения органических изоляционных материалов, вызванные процессами частичных разрядов. Механические воздействия, вызывая нарушения целостности материала (разрывы, расслоения), снижают электрическую прочность изоляционной конструкции.

Все твердые диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы. Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи (как правило), свето-, озоно- термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении. Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло. Трансформаторное масло - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. В зависимости от происхождения, нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220 - 340 а.е.

Изоляционное масло является также и теплопроводящей и защитной средой. При старении масло окисляется, что приводит к образованию органических кислот, растворимых в масле или создающих осадки (шлам). Увлажнение снижает его электрическую прочность. Термические воздействия приводят к крекингу. Старение масла снижает надежность изоляционной конструкции, так как повышенная кислотность способствует старению твердой изоляции, а осаждение шлама увеличивает диэлектрические потери и ухудшает отвод теплоты. Влага из масла, переходя в твердый диэлектрик, усиливает в нем процессы разрушения. Наличие в масле пузырьков газа способствует развитию частичных разрядов. Конечным результатом воздействия перечисленных факторов на изоляционную конструкцию является изменение структуры диэлектриков, их свойств, появление внутренних дефектов и продуктов разложения.

Прямые методы определения интенсивности перечисленных процессов, пригодные для эксплуатационных условий, отсутствуют. Применяются косвенные методы контроля. Для этого используются параметры изоляции, значения которых определяются процессами, происходящими в диэлектриках (поляризация, абсорбция, ионизация, проводимость и т.п.). К таким параметрам относятся комплексная проводимость изоляции, диэлектрические потери, емкость, интенсивность частичных разрядов. Для диагностирования используются также зависимости этих параметров от температуры, приложенного напряжения, времени и т.п.

Из газообразных диэлектриков наибольшее применение нашел элегаз -шестифтористая сера SF₆. Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Элегаз химическая инертен, нетоксичен, негорюч, термостоек (до 800 ° С), взрывобезопасен, слабо разлагается в разрядах, имеет низкую температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны. Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к. электрическая прочность увеличивается с ростом давления.

В настоящее время накласс напряжения 6 - 10 кВ выпускаются, в основном, вакуумные выключатели (ВВ), широкое применение которых вызвано их умеренной стоимостью и высокими эксплуатационными качествами, прежде всего, большой коммутационной и механической износостойкостью, высокой надежностью и низкими эксплуатационными затратами. Основные достоинства ВВ обусловлены дугогасительными свойствами вакуума, его высокой электрической прочностью (порядка 30 кВ/мм) и принципом гашения дуги в вакууме, которые при контактном промежутке 6 - 8 мм обеспечивают соответствие выключателей 10 кВ требованиям ГОСТ 687. Гашение дуги переменного тока осуществляется при разведении контактов в вакууме порядка 10 – 6 мм рт. ст. Поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка достаточно высока, отключение гарантировано происходит при зазорах более 1 мм, время горения дуги при этом минимальное.

Методы измерения диагностических параметров изоляционных материалов. Измерение диэлектрических потерь и емкости изоляции. Применяют мостовой и неравновесно-компенсационный методы.

Диагностические параметры:

- при испытании отключенного оборудования – тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) и емкость изоляции;

- при контроле оборудования без вывода из работы – изменение комплексной проводимости, tg δ и емкость изоляции.

Мостовой метод основан на сравнении параметров контролируемого объекта с параметрами элемента схемы, принятого в качестве образцового.

При измерении tg δ и емкости изоляции отключенного оборудования в качестве образцового используется конденсатор с пренебрежимо малыми диэлектрическими потерями.

При контроле оборудования под рабочим напряжением в ветви сравнения используется образцовый конденсатор, питаемый от ТН той системы шин, к которой подключен контролируемый объект. Применяется также схема сравнения параметров двух аналогичных объектов, один из которых принимается в качестве образцового.

Ввиду наличия фазовых сдвигов в ветвях сравнения схем контроля под рабочим напряжением, измеренное значение tg δ будет отличаться от действительного. Погрешность исключается тем, что в качестве диагностического параметра принимается изменение tg δ во времени. В схеме сравнения параметров двух объектов определяется разность Δ tg δ = tg (δ _х – δ ₀) ≈ tg δ _х – tg δ ₀.

При контроле отключенного объекта на месте его установки из результатов измерений необходимо исключить погрешность от токов влияний, вызванных рабочим напряжением на шинах и других объектах распределительного устройства. Для этого осуществляют два измерения, причем второе – при изменении на 180° фазы напряжения моста. Результат определяется по формулам:

 

tg δ = ; (4.1)

С _х = (С '_х + С ''_х) / 2, (4.2)

 

где tg δ ' и R '₃ – результаты первого измерения; tg δ '' и R ''₃ – результаты второго измерения.

Неравновесно-компенсационный метод основан на измерении суммы трехфазной системы токов, протекающих через изоляцию трех фаз объекта контроля под действием рабочего напряжения. При равенстве токов фаз суммарный ток будет равен нулю. При увеличении комплексной проводимости изоляции одной из фаз увеличивается ток через нее и соответственно изменится суммарный ток. Ввиду малой вероятности одновременного и одинакового изменения диэлектрических характеристик всех трех фаз объекта метод обеспечивает возможность обнаружения изменения состояния изоляции любой из фаз. Относительное изменение тока γ = Δ I / I ₀ = Δ Y / Y ₀, где I ₀ и Y ₀ – соответственно ток через изоляцию и комплексная проводимость объекта без дефектов; Δ I иΔ Y – изменения тока и проводимости, определяемые дефектами.

При раздельном измерении активной и реактивной составляющих вектора Δ I:

γ = Δ I _а / I ₀ ≈ Δ tg δ; γ _р = Δ I _р / I ₀ ≈ Δ С / С ₀, (4.3)

 

(принято, что Δ tg δ < 1).

При измерении модуля тока Δ I

 

γ = Δ I / I ₀ ≈ [(Δ tg δ) ² + (Δ С / С ₀) ²]^1/2. (4.4)

 

Для эксплуатационных целей достаточно измерить модуль тока. При определении фазы объекта и характера дефекта применяется векторметр. Уставка сигнализатора выбирается исходя из предельно допускаемого значения контролируемого параметра.

Измерение сопротивления изоляции. Схема измерений состоит из последовательно соединенных контролируемого участка изоляции, источника напряжения и прибора, измеряющего ток через изоляцию. Диагностический параметр – сопротивление изоляции.

Измерительное устройство – мегаомметр, содержит источник напряжения постоянного тока U ₀ и вольтметр V, на входе которого включен образцовый резистор R ₀. Измеренное сопротивление R _х = R ₀((U / U ₀) – 1) ≈ R ₀ (U / U ₀), так как обычно значением U ₀ по сравнению с U можно пренебречь. Пределы измерения зависят от сопротивления резистора R ₀. Основным источником погрешности измерения является ток по поверхности изоляционной конструкции и через другие элементы, не подлежащие контролю. Для исключения поверхностных токов применяется экранирование – подача потенциала, равного потенциалу образцового резистора, на электрод, установленный по пути этих токов. Возможности экранирования ограничиваются значением сопротивления R _Э части оборудования, находящейся между зажимами R _х и Э мегаомметра, которое шунтирует образцовый резистор. Погрешность, вносимая этим сопротивлением, Δ R _х/ R _х= R ₀ / R _Э.

Измерение абсорбционных характеристик. При приложении к изоляционной конструкции постоянного напряжения возникают кратковременный импульс тока заряда геометрической емкости, медленно затухающий ток заряда абсорбционной емкости и постоянный ток, определяемый проводимостью. Измерение в определенные моменты времени тока через изоляцию или накопленного заряда дает информацию о степени ее неоднородности. Измерение сопротивления изоляции определяется по результатам измерений мегаомметром через 15 и 60 с после подачи напряжения на объект. Диагностический параметр – коэффициент абсорбции К _а = R ₆₀ / R ₁₅.

Абсорбционная емкость изоляции определяется при циклах заряда и разряда объекта. Диагностический параметр – отношение абсорбционной емкости к геометрической. Определяются значения Δ С / С ₅₀ и (С ₂ – С ₅₀) / С ₅₀, где Δ С – абсорбционная емкость; С ₅₀ – геометрическая емкость (соответствует значению, измеренному при 50 Гц); С ₂ – часть абсорбционной емкости (соответствует значению, измеренному при 2 Гц).

Дисперсия определяется путем заряда емкости объекта прямоугольным импульсом напряжения U ₀ длительностью 3 мс и измерения U _В на нем через 300 мс, когда введенный заряд распределится между геометрической и абсорбционной емкостями изоляции. Диагностический параметр D = U _В / (U ₀ - U _В).

Измерение характеристик частичных разрядов (ЧР). Измерение сигналов от частичных разрядов (ЧР) является одним из наиболее перспективных методов контроля состояния высоковольтной изоляции, который необходимо как можно шире внедрять в практику. Во всех высоковольтных лабораториях мира измерение ЧР при испытаниях высоковольтного оборудования является основным методом контроля состояния изоляции. Однако для контроля оборудования в условиях эксплуатации измерение ЧР пока применяется сравнительно редко. Проблемы при измерении ЧР в реальных условиях эксплуатации связаны с различного рода помехами на работающих подстанциях. Наибольшее распространение получили электрические и акустические методы измерения ЧР. Основной диагностический параметр при эксплуатационном контроле – кажущийся заряд частичного разряда.

Электрические методы обеспечивают определение значения контролируемого параметра. Акустические методы используют для выявления наличия разрядов и локации их источника.

Контроль электроизоляционного масла. Физико-химические характеристики масла определяют работоспособность изоляционной конструкции и являются диагностическими параметрами. Основные характеристики электроизоляционного масла и методы их определения: пробивное напряжение и tg δ (ГОСТ 6581), кислотное число (ГОСТ 5985), температура вспышки (ГОСТ 6356), содержание механических примесей (ГОСТ 6370), влагосодержание (ГОСТ 7822) и газосодержание (извлечение газа в вакуумированном сосуде).

Процессы термического разложения изоляции и ее разрушения электрическими разрядами приводят к выделению газов, растворяющихся в масле. Каждому виду дефекта соответствует характерный набор газов. Диагностика изоляции по содержанию в масле газов заключается в определении типа дефекта (качественный контроль) и оценке степени его развития (количественный контроль). Источниками информации являются состав растворенных газов, их концентрация и скорость ее изменения. Анализ газов, растворенных в масле, может проводиться любым методом, обеспечивающим требуемую чувствительность. Наиболее широкое распространение получила газовая хроматография.

Особенностью контроля электрооборудования является необходимость предварительного извлечения газа из пробы масла. Отобранную пробу масла помещают в герметичный сосуд, вместимость которого превышает объем масла. После того, как установится равновесная концентрация газов, из надмасляного пространства извлекается проба газа для анализа. Ускорение газообмена обеспечивается повышением температуры до 60 – 100 ° С и увеличением площади контакта между маслом и газовой средой в сосуде (барботаж через масло газа-носителя или воздуха из сосуда; предварительная вакуумировка объема сосуда).

Определение состава соединений металлов, находящихся в масле, может дать дополнительную информацию о характере дефекта.

Тепловизионная диагностика позволяет эффективно выявлять разложение бумажно-масляной изоляции обмоток высоковольтного оборудования: