Частичные разряды в изоляции: физика и виды¶

Частичные разряды — это электрические разряды, которые шунтируют лишь часть электрической изоляции между электродами и не образуют полного перекрытия промежутка. Они возникают в газовых, жидких или твердых включениях внутри диэлектрика, а также на его поверхности, и являются одним из основных факторов старения высоковольтной изоляции.

¶Физика явления

Частичные разряды (ЧР) возникают вследствие локального усиления электрического поля в неоднородностях диэлектрика. Такими неоднородностями могут быть газовые пузырьки (в жидкостях и эпоксидной смоле), воздушные зазоры между слоями изоляции, включения проводящих примесей или зоны с пониженной диэлектрической проницаемостью. Поскольку диэлектрическая проницаемость газа (≈1) значительно ниже, чем у твердых или жидких диэлектриков (2–6), напряженность поля в газовом включении возрастает пропорционально отношению проницаемостей, что приводит к локальному пробою при относительно низком приложенном напряжении.

Процесс развития ЧР описывается двумя основными механизмами:

• Ударная ионизация — электроны, ускоряясь в электрическом поле, сталкиваются с атомами газа, выбивая из них новые электроны, что формирует лавину.
• Фотоионизация — излучение из зоны лавины ионизирует молекулы газа впереди неё, способствуя распространению стримера.

После пробоя включения накопленный заряд нейтрализуется, поле внутри включения спадает, и разряд гаснет. При переменном напряжении ЧР повторяются каждый полупериод, когда напряжение достигает порогового значения.

¶Виды частичных разрядов

Классификация ЧР проводится по месту возникновения и характеру протекания.

¶Внутренние разряды

Возникают в газовых включениях внутри твердой или жидкой изоляции. Это наиболее опасный вид, так как он приводит к локальной эрозии материала, образованию «деревьев» — древовидных каналов пробоя, которые со временем могут прорасти сквозь всю толщину изоляции и вызвать полный пробой. Характерны для кабелей, трансформаторов, изоляторов из эпоксидных смол.

¶Поверхностные разряды

Развиваются вдоль границы раздела диэлектрик-газ (или диэлектрик-вакуум), когда тангенциальная составляющая электрического поля превышает критическое значение. Часто возникают на краях электродов, в местах выхода токоведущих частей из изоляции, на загрязненных и увлажненных поверхностях. Поверхностные ЧР сопровождаются образованием проводящих дорожек (трекинга) и обугливанием поверхности.

¶Коронные разряды

Представляют собой ЧР в газе вокруг острого электрода (провода, острия) в сильном неоднородном поле. В отличие от внутренних разрядов, корона не разрушает твердый диэлектрик, но вызывает потери энергии, радиопомехи, окисление поверхности и акустический шум. Характерны для линий электропередачи высокого напряжения и высоковольтного оборудования.

¶Плавающие разряды

Возникают между металлическими деталями, находящимися под разными потенциалами, которые не имеют гальванической связи (например, незаземленные экраны, болты, обломки проводников в масле). Такие разряды имеют большую энергию и могут быстро приводить к разрушению окружающей изоляции.

¶Основные характеристики

Для количественной оценки ЧР используются следующие параметры:

• Кажущийся заряд (q) — измеряется в пикокулонах (пКл), характеризует интенсивность разряда.
• Напряжение возникновения ЧР (ЧРН) — минимальное напряжение, при котором начинаются разряды.
• Напряжение погасания — напряжение, при котором разряды прекращаются после снижения приложенного напряжения.
• Интенсивность ЧР — число разрядов в единицу времени или за период.

¶Влияние на изоляцию и методы контроля

Воздействие ЧР на изоляцию носит комплексный характер: это и эрозия материала за счет бомбардировки заряженными частицами, и локальный нагрев, и химические реакции (озонирование, образование азотной кислоты в воздухе, окисление масла). Длительное воздействие ЧР снижает электрическую прочность изоляции и является одной из главных причин аварийных отказов высоковольтного оборудования.

Для обнаружения и измерения ЧР применяются:

• Электрические методы (регистрация токов и напряжений высокой частоты).
• Акустические методы (улавливание ультразвуковых колебаний).
• Оптические методы (регистрация свечения разрядов).
• Хроматографический анализ масла (для трансформаторов).

Контроль уровня ЧР является обязательной частью испытаний высоковольтного оборудования при вводе в эксплуатацию и в процессе мониторинга его состояния.