Měření částečných výbojů (ČV) se mnoho let používá jako citlivý prostředek hodnocení kvality nové izolace a také jako prostředek pro detekování lokalizovaných zdrojů ČV v použité elektrické izolaci vinutí, které vznikají v důsledku namáhání v provozu.
V porovnání s jinými diagnostickými zkouškami (tj. s měřením ztrátového činitele nebo izolačního odporu) umožňuje rozlišovací charakter měření ČV určit lokalizovaná slabá místa izolačního systému.
Zkoušky ČV točivých strojů se také používají při kontrole kvality nově sestavených a hotových statorových vinutí,nových částí vinutí (např. cívek a tyčí tvarovaného vinutí, vysokonapěťových průchodek, atd.) a plně impregnovaných statorů.
V souvislosti s údržbou a důkladnou kontrolou točivých strojů může měření ČV poskytnout informace také o:
- slabých místech v izolačním systému;
- procesech stárnutí;
- dalších opatřeních a intervalech mezi důkladnými kontrolami.
I když se zkouškám ČV točivých strojů dostalo obecného přijetí, z několika studií vyplynulo, že existuje nejen mnoho různých metod měření, ale že se také kritéria a metody pro analýzu a konečné vyhodnoceni naměřených dat často liší a nedají se ve skutečnosti porovnat. V důsledku toho je naléhavě nutné poskytnout určitý návod těm uživatelům, kteří uvažují o použití měření ČV k hodnocení stavu svých izolačních systémů.
Zkoušky ČV statorových vinutí lze rozdělit do dvou širokých skupin:
- a) offline měření, při kterých je statorové vinutí izolováno od napájecí soustavy a pro buzení vinutí se používá samostatný napájecí zdroj;
b) online měření, při kterých se točivý stroj normálně provozuje a je připojen k napájecí soustavě.
Obě tyto metody přístupy mají vůči sobě své výhody a nevýhody. Při uznání rozsáhlého celosvětového použití online metod a jejich prokázaného významu pro průmysl, se tato technická specifikace omezuje na offline techniky. Tento přístup je považován za nezbytný pro poskytnutí dostatečně výstižné specifikace, kterou by mohli použít laici v oboru zkoušek ČV.
Pokud jde o offline měření ČV na izolaci statorového vinutí točivých elektrických strojů při zkouškách střídavými napětími o kmitočtech až do 400 Hz. Platí tento článek pro točivé stroje, které mají tyče nebo tvarované cívky s vodivým drážkovým povlakem. To je obecně obvyklé pro stroje se jmenovitým napětím 6 kV a vyšším. Měřicí metody se také mohou vztahovat na stroje bez vodivého drážkového povlaku. Výsledky mohou být nicméně různé.
Charakter částečných výbojů
Částečné výboje (ČV) se mohou obecně vyvinout v místech, kde jsou dielektrické vlastnosti izolačních materiálů nehomogenní. V takových místech může být intenzita lokálního elektrického pole zvýšená. V důsledku nadměrného lokálního elektrického namáhání může dojít k lokálnímu částečnému průrazu. Tento částečný průraz nemá za následek úplný průraz izolačního systému. Částečné výboje ke svému vývinu obecně vyžadují určitý objem plynu, například u dutinek naplněných plynem a uzavřených v izolaci, v blízkosti vodičů nebo se vyskytují na rozhraních izolace.
Částečné výboje mohou nastat tehdy, když intenzita lokálního elektrického pole každé nehomogenity překročí průraznou intenzitu pole. Tento proces může mít za následek četné impulzy ČV během jednoho cyklu přiloženého napětí.
Množství přeneseného náboje při výbojích úzce souvisí s konkrétními vlastnostmi nehomogenity, jako například s rozměry, skutečným průrazným napětím a specifickými dielektrickými vlastnostmi příslušného materiálu, například vlastností povrchu, druhem a tlakem plynu, atd.
Izolační systémy statorového vinutí pro vysokonapěťové stroje budou běžné vykazovat určitou aktivitu ČV, ale v důsledku anorganických slídových složek jsou přirozeně odolné vůči ČV. Nicméně, významné ČV v těchto strojích jsou obvykle více příznakem vad izolace, jakými jsou problémy při výrobě nebo provozní znehodnocení, než aby byly přímou příčinou poruchy. Přesto ČV mohou napadat také přímo izolaci v závislosti na jednotlivých procesech, a tím ovlivňovat proces stárnutí. Čas do poruchy nesmí být ve vzájemném vztahu s úrovněmi ČV, ale značně závisí na dalších faktorech, například na provozní teplotě, stavu klínování, stupni znečištění, atd.
Měření a analýzu specifického chování ČV lze účinně využít pro kontrolu kvality nových vinutí a částí vinutí a pro časnou detekci vad izolace, které mohou mít za následek selhání izolace a jsou v provozu způsobeny faktorem stárnutí zahrnujícím vliv okolního prostředí a tepelnými, elektrickými a mechanickými faktory stárnutí.
Typy ČV v točivých strojích
ČV se mohou vyvíjet v celém izolačním systému statorového vinutí v důsledku specifických výrobních technologií, nedokonalostí při výrobě, normálního provozního nebo netypického stárnutí. Konstrukce stroje, charakter použitých materiálů, výrobní metody, provozní podmínky, atd., mohou značně ovlivnit množství, umístění, charakteristické vlastnosti, vývin a důležitost ČV. V mnoha případech lze u daného stroje zjistit a rozlišit různé zdroje ČV podle jejich charakteristického chování z hlediska ČV.
Vnitřní výboje
Vnitřní dutinky
I když jsou výrobní procesy navrhovány tak, aby se minimalizoval výskyt vnitřních dutinek, určitý počet dutinek nevyhnutelně existuje v izolačním systému slídové pásky impregnované pryskyřicí, který se běžně používá ve vysokonapěťových točivých strojích. Slída vlastně v izolačním systému zabraňuje ČV, aby se rozvinuly do úplného průrazu. Pokud jsou vnitřní dutinky malé a významně se nezvětšují, není provozní spolehlivost omezena.
Vnitřní delaminace
Vnitřní delaminace v hlavní izolaci může být způsobena nedokonalým vytvrzováním izolačního systému během výroby, nebo nadměrným mechanickým či tepelným namáháním během provozu. Velké dutinky se mohou vyvinout na velké ploše a mají za následek výboje o relativně vysoké energii, které mohou významně napadat izolaci. Delaminace sníží především tepelnou vodivost izolace, což může vést k urychlenému stárnutí nebo dokonce k tepelnému lavinovému jevu. Při hodnocení aktivity ČV tudíž delaminace vyžaduje pečlivé posouzení.
Delaminace mezi vodiči a izolací
Delaminace na rozhraní měděného vodiče a hlavní izolace, která je obvykle výsledkem přílišného tepelného cyklování je nebezpečná, protože může být vážně poškozena závitová izolace nebo izolace svazku vodičů.
Drážkové výboje
Drážkové výboje se ve vysokonapěťových strojích vyvinou tehdy, když je poškozen vodivý povlak drážkové části v důsledku pohybu tyče/cívky v drážce nebo v oblasti výstupu z drážky, například ztrátou klínovacího tlaku v důsledku usazení, eroze materiálu, obroušení, napadení chemikáliemi nebo nedostatků při výrobě. Vysokoenergetické výboje se rozvinou tehdy, když již došlo k vážnému mechanickému poškození, které může mít za následek dodatečné poškození hlavní izolace a nakonec i poruchu izolace. V počátečním stádiu jsou drážkové výboje spíše vibračním jiskřením, než klasickými ČV. Toto vibrační jiskření se může také vyskytovat u míst s nízkým potenciálem, například poblíž uzlu vinutí. I když je absolutní doba mezi detekcí tohoto jevu a konečným selháním izolace neznámá, ale mohla by být krátká, je pro zahájení příslušného nápravného opatření nezbytná spolehlivá detekce v počátečním stádiu.
Povrchové výboje na koncích vinutí
ČV v oblasti čel vinutí mohou nastat na několika místech s vysokou intenzitou lokálního elektrického pole. Takové výboje obvykle nastávají na rozhraních mezi různými částmi na výstupu statorového vinutí z drážky. Pokud povlak pro řízení pole na čelech vinutí ztrácí účinnost v důsledku špatně navržených rozhraní, znečištění, pórovitosti, tepelných účinků, atd., není už déle zajištěno spolehlivé rozložení pole a dochází k rozvoji povrchových výbojů, které mohou postupně rozrušit materiály. Obvykle jde o velmi pomalý poruchový mechanismus, i když chování ČV může být v důsledku povrchových jevů vystaveno relativně rychlým změnám. Kromě toho mohou ČV nastat mezi fázemi, např. v důsledku nepřiměřené vůle na rozhraní, u částí systému podpěry čel, nebo jako výboje mezi fází a zemí na povrchu čel vinutí.
Vodivé částice
Vodivé částice, zvláště malé částice, mohou například v důsledku znečištění vinutí vést k velké lokální koncentraci ČV. To může mít za následek vznik vlásenkové dírky v izolaci.
Šíření impulzů ve vinutích
Proud ČV může být ve své podstatě charakterizován jako přechodný impulz s dobou náběhu pouze několika nanosekund. Pro tyto krátké impulzy ČV s vysokofrekvenčním spektrem představují statorová vinutí objekty s rozprostřenými prvky, ve kterých se vyskytuje postupná vlna, komplexní kapacitní a induktivní vazba a rezonanční jevy. Proto je potřeba brát v úvahu šíření impulzů ČV. V důsledku útlumu, zkreslení, odrazu a křížové vazby signálů postupné vlny se tvar a úroveň signálu ČV zaznamenaného na svorkách vinutí liší od tvaru a úrovně signálu v místě jeho vzniku. S ohledem na tuto skutečnost jsou pro vyhodnocení měření ČV prováděných na točivých strojích velmi důležité tyto body:
- přenosová funkce ze zdroje ČV ke snímači ČV není známa a závisí na konkrétní konstrukci stroje, která určuje kmitočtovou odezvu statorového vinutí. Energie u zdroje ČV, kterou lze brát jako měřítko eroze izolace, proto nemůže být měřena přímo;
- chování statorového vinutí při přenosu jednotlivých vysokých kmitočtů vytváří na svorkách signály ČV, které jsou charakteristikou zkoušeného stroje a umístění zdroje ČV;
- složky signálů ČV o velmi vysokých kmitočtech podléhají při průchodu vinutím značnému útlumu a v závislosti na původu ČV by nemusely být na svorkách vinutí detekovatelné.
V důsledku výše zmíněných jevů budou charakteristiky signálu detekovaného na svorkách vinutí značně ovlivněny nejen zvláštní konstrukcí vinutí, ale také konkrétní kmitočtovou odezvou detekčního systému ČV.
Závěr
Při zkoušení statorových vinutí různými druhy měřicích přístrojů ČV se budou nevyhnutelně poskytovat různé výsledky a z tohoto důvodu budou měření ČV porovnatelná pouze za určitých podmínek. Proto je obtížné stanovit absolutní mezní hodnoty pro vinutí točivých strojů, jako například přejímací kritéria pro výrobu nebo provoz. Je to způsobeno především šířením impulzu, specifickými potížemi s kalibrací a jednotlivými kmitočtovými charakteristikami statorových vinutí a měřicích systémů ČV.
Stupeň znehodnocení, a tím i riziko selhání izolačního systému, navíc závisí na konkrétním druhu zdroje ČV a jeho umístění v izolaci statorového vinutí, přičemž oba tyto faktory mohou velice významné ovlivnit výsledky zkoušek.
V praxi lze ověřené empirické mezní hodnoty použít jako základ pro vyhodnocení výsledků a zkoušek. Kromě toho se pro spolehlivé hodnocení stavu izolace statorového vinutí doporučuje vyhodnocení trendu ČV a porovnání se stroji obdobné konstrukce a s obdobným izolačním systémem, které jsou měřeny při podobných podmínkách stejným měřicím zařízením.
Ti, kdo měří ČV, by si měli uvědomit, že v důsledku principů metody nelze měřením ČV detekovat ve statorových vinutích všechny problémy týkající se izolace (např. poruchy izolace zahrnující trvalé svodové proudy v důsledku vodivých drah mezi různými částmi izolace nebo výboje bez přítomnosti impulzů).
U zkoušek jednotlivých částí vinutí se při interpretaci výsledků měření nemusí brát v úvahu omezení z důvodu šíření impulzu.
