ПЕВЧЕВ Б. Г.
ДИАГНОСТИКА ЭЛЕГАЗОВОГО АППАРАТА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
Излагается метод оценки минимальной электрической прочности элегазового аппарата при наличии в нем дефектов типа свободных проводящих частиц или выступа на электроде, основанный на результатах измерения максимальных кажущихся зарядов и тока коронного разряда.
Один из основных методов диагностики элегазовых аппаратов основан на измерении частичных разрядов (ЧР), схемы регистрации которого можно разделить на два типа: широкополосные и узкополосные. Выбор полосы частот, в которой проводятся измерения, определяется стремлением получить максимальное отношение измеряемого сигнала к шуму, что позволяет достигнуть наибольшую чувствительность измерений. В зависимости от условий измерений предпочтительней та или другая схема. После обнаружения сигналов, свидетельствующих о наличии в аппарате дефекта, возникает вопрос об оценке степени его опасности. Поскольку для различных дефектов уровень ЧР, представляющий опасность, также различен, прежде всего необходимо определить тип дефекта.
В результате большого числа работ в настоящее время хорошо известны характерные признаки сигналов для каждого типа дефекта, появление которого возможно в КРУЭ. Поэтому ориентируясь на них, по результатам измерения ЧР можно определить, что это за дефект. Наибольшую информацию для этой цели дают осциллограммы напряжения и импульсов ЧР, получаемые на двухлучевом осциллографе. Приведем наиболее важные признаки дефектов, определяемые по осциллограмме: 1) свободные металлические частицы — импульсы разной амплитуды, беспорядочно распределенные по фазе напряжения; 2) выступ на электроде — импульсы вблизи максимума напряжения по обе его стороны; импульсы при положительном коронном разряде примерно на порядок превышают импульсы при отрицательном (эффект полярности); 3) частица на изоляторе — импульсы растут с увеличением напряжения и прекращаются на его максимуме; 4) газовая полость в изоляторе — импульсы мало зависят от напряжения и прекращаются на его максимуме; 5) деталь под плавающим потенциалом (экран, прокладка и т. п.) — импульсы как и в п. 4), только частота следования импульсов гораздо меньше (сотни герц) и их амплитуда на порядки выше.
После определения типа дефекта необходимо по характеристикам ЧР определить размеры дефекта и затем сделать заключение о его опасности. Определению размеров и оценке опасности дефектов типа свободных частиц и выступов на электроде в условиях коаксиальной системы электродов и посвящена данная работа. В качестве опасных дефектов принимаются такие, которые при испытательных напряжениях могут привести к пробою. При таком определении опасности дефекта не учитывается длительное воздействие ЧР на изоляцию: разложение элегаза, оседание зарядов на изоляторы и т. д., т. е. речь идет об электрической
прочности чисто газового промежутка КРУЭ при наличии указанных дефектов.
Свободные частицы, оказавшиеся по каким-то причинам в КРУЭ, могут иметь самую разнообразную форму. Рассмотрим сначала опасность от сферических частиц. Частицы сферической формы, находящиеся на электроде, в условиях однородного или слабонеоднородного поля вплоть до пробивного напряжения не дают импульсов ЧР, по которым их можно было бы диагностировать [1]. Возникновение коронного разряда у вершины такой частицы сразу же приводит к пробою. Насколько опасны такие частицы? Усиление электрического поля у сферической частицы, лежащей на электроде, по отношению к основному полю равно 4,2. Если для примера возьмем КРУЭ-110, для которого при одноминутном испытательном напряжении напряженность поля на внутреннем электроде составляет 90 кВ/см, а на оболочке — 18 кВ/см, то усиленная напряженность поля у вершины сферической частицы, находящейся на внутреннем электроде, при этом равна 378, а у находящейся на оболочке — 75,6 кВ/см. Критическая напряженность поля, при которой эффективный коэффициент ионизации становится больше нуля, при рабочем давлении элегаза 0,35 МПА составляет 311 кВ/см. Отсюда следует, что при одноминутном испытательном напряжении у вершины сферической частицы, находящейся на оболочке, напряженность поля ниже критической и она не может инициировать пробой. Если же частица находится на внутреннем электроде, то она может привести к пробою. Однако нужно отметить следующее. Методика испытаний включает в себя выдержки в течение определенного времени на последовательно повышающихся ступенях напряжения, при которых изоляция тренируемся. Положительный эффект такой тренировки связан, по-видимому, с двумя причинами: свободные частицы отрываются от внутреннего электрода и попадают в зону с меньшей напряженностью поля — на оболочку; коронирующие частицы обгорают или сгорают совсем. Поэтому, если даже частица сферической формы до испытаний находилась на внутреннем электроде, то существует большая вероятность того, что во время испытаний при различных напряжениях она попадает на оболочку и перестанет быть опасной.
Свободная частица, находясь на электроде, приобретает заряд, знак которого совпадает со знаком электрода. В результате этого на частицу действует сила электрического поля, стремящаяся оторвать ее от электрода. Когда сила отрыва становится больше силы тяжести и силы адгезии, частица отрывается от электрода. Между электродом и частицей, оторвавшейся при какой-то фазе напряжения, при других фазах напряжения возникает разность потенциалов, которая может привести к микроразряду. Такую «прыгающую» частицу можно обнаружить по характерным импульсам ЧР. Если измерить максимальный кажущийся заряд, то по нему можно оценить размер частицы. Поскольку при диагностике КРУЭ форма частицы, являющейся причиной ЧР, неизвестна, разумно отнести измеренный максимальный кажущийся заряд к частицам, представляющим наибольшую опасность, т. е. к удлиненным частицам. Ионизация у вершин таких частиц возникает при меньших напряжениях, чем у сферических частиц, и они могут сильнее снизить пробивное напряжение.
Максимальный заряд, переносимый при микроразряде Q, соответствует случаю, когда частица отрывается от электрода при амплитуде напряжения одной полярности U, а микроразряд происходит при амплитуде другой полярности. Величина примерно равна двойному заряду частицы, приобретенному ею на электроде при амплитуде напряжения. Если аппроксимировать удлиненную частицу полусфероидом с радиусом основания а и длиной I, то получим
QM=2πε0l2E/[In(2l/a)-1], (1) где Е — напряжённость основного поля в месте нахождения частицы.
Выражением (1) можно воспользоваться для определения длины частицы, если предварительно найти соотношение между переносимым при микроразряде зарядом Q и измеренным кажущимся зарядом q. Эта связь дается выражением
(2)
где φ — разность потенциала между частицей и электродом при напряжении на промежутке U.
Для определения ф нужно знать величину заряда на конце частицы, обращенном к электроду, и емкость частицы относительно электрода. Примем во внимание, что микроразряды между частицей и электродом могут происходить только при малых зазорах 1 между ними, когда h/а«1. Если бы частица касалась электрода, то на ней бы был заряд
Если же частица отделена от электрода малым зазором, то такой же заряд, но обратного знака, сосредоточится у конца частицы, обращенного к электроду. Для нахождения емкости частицы относительно электрода воспользуемся простым предположением, что она равна емкости сферы радиусом а относительно этого же электрода. Согласно [2] емкость проводящей сферической частицы вблизи плоского электрода равна
Полученное выражение дает связь между измеряемым максимальным кажущимся зарядом и длиной частицы I при переменном напряжении с амплитудой Ам. На рис. 1 представлена зависимость для КРУЭ-110 при 109 кВ.
Необходимым условием пробоя, инициированного удлиненной частицей, является возникновение ионизации у ее вершины. После зажигания коронного разряда на вершине частицы оторваться ей от электрода трудно, так как при отрыве ток коронного разряда перезаряжает частицу и она снова возвращается на электрод. Такие частицы, обладая в определенном диапазоне напряжений способностью перемещаться и давать микроразряды, с повышением напряжения начинают коронировать и теряют эту способность [3]. Поэтому в результате приходим к случаю фиксированной частицы.
