Standardní definice částečného výboje uvádí, že se jedná o elektrický výboj, který dokáže částečně přemostit prostor mezi dvěma vodivými elektrodami. K částečným výbojům dochází na vysokonapěťových zařízeních na celé řadě míst a v různých médiích. Částečný výboj, který je obvykle způsoben drobnou vadou a má za následek tisíce opakovaných miniaturních výbojů, se časem šíří a roste. To může nakonec způsobit katastrofické poruchy, které vedou k selhání zařízení a nebezpečným obloukovým výbojům.
Typy částečných výbojů
Ačkoli se pojmy liší, obecně existují čtyři typy částečných výbojů, z nichž každý vzniká z jiných důvodů a každý má tendenci způsobit jinou míru poškození:
- Korónový výboj: K této běžné formě částečného výboje dochází, když výboj vyzařuje přímo do vzduchu z ostrého povrchu vodiče. Je to příčina zvukových a radiofrekvenčních emisí. Z hlediska poškození nebo bezpečnosti není koróna obvykle znepokojující.
- Obloukový výboj: Obloukový výboj je dlouhotrvající elektrický výboj, který vzniká elektrickým rozkladem plynu. Při průchodu proudu vzduchem nebo jiným normálně nevodivým prostředím vzniká plazma.
- Povrchový výboj: Pokud se výboj šíří po povrchu izolace, nazývá se povrchový výboj nebo výboj vytvářející povrchové vodivé cesty. Může se jednat o jeden z nejničivějších typů částečných výbojů. Dvěma nejčastějšími příčinami povrchového výboje jsou znečištění a poškození povrchu izolátoru povětrnostními vlivy. U zařízení středního a vysokého napětí k tomuto typu výboje dochází při poruše izolace, obvykle v důsledku vysoké vlhkosti nebo špatné údržby. Častou příčinou povrchového výboje je také pronikání vlhkosti.
- Dutinový (vnitřní) výboj: Tento jev je nejčastěji způsobován vadou v pevné izolaci kabelů, průchodkách, plynové (GIS) izolaci a podobně. Dutinové výboje jsou pro izolaci velmi destruktivní a obvykle se dále šíří, dokud nezpůsobí úplné selhání.
Následky částečných výbojů
Obecně jsou nejvíce znepokojující výboje vytvářející povrchové vodivé cesty a dutinové výboje. Jejich odhalení a oprava by měla být pro průmyslového elektrikáře vysokého napětí, technika distribučních sítí, technika přenosových sítí a technika vysokého napětí u prvovýrobce (OEM) prioritou. V mnoha případech je detekování a oprava částečného výboje bezpečnostní prioritou. Kromě osobní bezpečnosti mohou škodlivé částečné výboje způsobit následující problémy:
- Výpadky
- Požáry
- Degradace izolátorů
- Přetížení sítě
Těmto problémům lze předejít, pokud se částečný výboj odhalí dříve, než dojde k zásadnímu poškození.
Detekce částečných výbojů
V současné době existuje několik způsobů detekce částečných výbojů. Částečné výboje lze detekovat pomocí ultrazvuku, rádiových frekvencí a ultrafialového záření. Dosud používané metody byly neúplné a mají své nevýhody, jako je nemožnost zjištění částečných výbojů za skříněmi, nutnost rozsáhlého zaškolení a nedostatečná přesnost pro včasné zjišťování problémů. Navíc se uživatelé při jejich použití dostávají do blízkosti potenciálně nebezpečných zařízení.
Čtěte také: Jak opravit částečně propadlou betonovou podlahu
Lepší způsob detekce částečného výboje představuje přesná akustická kamera Fluke ii910. S tímto přístrojem můžete bezpečně lokalizovat částečné výboje na dálku bez změti kabelů nebo těžkopádného příslušenství. Jeho používání je snadné a dá se jednoduše naučit, což umožňuje detekovat částečné výboje během několika minut po vybalení přístroje.
Online detekce částečných výbojů na pokrytých vodičích
Izolované závěsné vodiče představují alternativu k zesíleným hliníkovým vodičům. Některé distribuční společnosti mají snahu nahradit některé AlFe vodiče ve své nadzemní distribuční síti závěsnými izolovanými vodiči. Aby byla distribuční síť co nejspolehlivější, budou nadzemní vedení vybavena on-line detektorem poruch izolace. Problematická detekce poruch izolace je jednou z největších nevýhod závěsných izolovaných vodičů vysokého napětí (označovaných jako Covered Conductors, CC), a to z důvodu velmi nízkého poruchového proudu. Při tomto typu poruch se však obvykle projevuje aktivita částečných výbojů.
Výzkum a vývoj detektoru na VŠB-TUO
Na základě poznatků o aktivitě částečných výbojů při poruchách izolace byl ve VŠB-TUO navržen on-line monitor částečných výbojů pro detekci izolačních poruch na nadzemních vedeních středního napětí. Nadzemní vedení vysokého napětí je obvykle vybaveno běžnými vodiči AlFe bez vnější izolace. V zalesněné oblasti dochází na elektrických vedeních často k zemním a mezifázovým poruchám kvůli okolní vegetaci. Pokryté vodiče se skládají z hliníkového jádra, které je pokryto tenkou vrstvou izolačního materiálu XLPE.
Největší nevýhoda pokrytých vodičů spočívá v problematické detekci vysokoimpedančních poruch izolace (High-Impedance Faults, HIF). Pokud zůstane strom nebo větev v přímém kontaktu s pokrytým vodičem, mohou se uvnitř izolace XLPE objevit částečné výboje. Proud, způsobený činností částečných výbojů, je velmi malý a nelze jej detekovat standardními reléovými ochranami. Tyto výboje způsobují pomalou degradaci pokrytého vodiče, která vyústí v poruchu izolace.
Omezení stávajících detekčních zařízení
V současné době se na evropském trhu vyskytuje několik zařízení, která jsou schopna detekovat HIF. Jejich citlivost je však nízká kvůli nízkému proudu při typickém HIF. Například Schneider Viligohm je schopen detekovat HIF s impedancí 1 MΩ nebo nižší. Počáteční impedance HIF se však pohybuje v rozmezí GΩ. Při impedanci 1 MΩ nebo nižší je již izolace pokrytého vodiče poškozena a téměř propálena. Společnost ELEXEIM vyrábí ochranné relé NOJA 769, které je rovněž schopno detekovat HIF. Jeho nejnižší detekovatelný poruchový proud je však 200 mA, což je hodnota odpovídající již silně poškozenému izolačnímu systému.
Čtěte také: Materiály a konstrukce částečně zděné fasády
Charakteristika detektoru vyvinutého na VŠB-TUO
Na VŠB-TUO probíhá výzkum v oblasti on-line detektorů HIF. Tyto detektory nezjišťují hodnotu poruchového proudu, ale analyzují získaný napěťový signál z chráněného nadzemního vedení na přítomnost aktivity částečných výbojů (PD). Aktivita PD vytváří typický vzor v časové oblasti napěťových signálů. Tento vzor je v signálu přítomen po celou dobu trvání HIF, včetně jeho iniciační fáze. Včasná detekce aktivity PD může zabránit škodám způsobeným výpadkem pokrytého vodiče a nadzemního vedení. Vzhledem k vysoké citlivosti byl tento detektor zvolen jako nejvhodnější zařízení pro online diagnostiku izolace pokrytých vodičů, plánovanou v distribuční síti.
Experimentální ověření detektoru
Pro zajištění správné funkčnosti detektoru s různými typy pokrytých vodičů od různých výrobců byla provedena řada experimentů. Bylo testováno pět vzorků pokrytých vodičů, které se od sebe lišily průřezem, tloušťkou izolace a tvarem hliníkového jádra. Zaměřili jsme se výhradně na analýzu vzorce PD, který byl generován vzorkem pokrytého vodiče během HIF.
V experimentu byla použita stejná měřicí metoda a uspořádání, jaké je použito v dříve popsaném detektoru. Jako snímač napětí se používá jednovrstvá cívka (SLI), navinutá přímo na povrchu pokrytého vodiče, skládající se z 85 závitů izolovaného měděného drátu. Cívka je připojena ke kapacitnímu děliči, jehož výstup je připojen přes svodič přepětí k osciloskopu.
V laboratorních podmínkách se měření PD obvykle provádí pomocí úzkopásmových detekčních přístrojů. V tomto experimentu byla použita širokopásmová detekce, která poskytuje lepší rozlišení impulsu. Při vzorkovací frekvenci 40 MS/s se zkoumá frekvenční pásmo až do 20 MHz. Nastavení měření pro každý testovaný vzorek bylo ověřeno kalibrací.
Pro simulaci HIF byl každý vzorek vybaven měděnou páskou, vytvarovanou do tvaru kroužku a přilepenou k povrchu pokrytého vodiče vodivým lepidlem. Tato měděná páska byla připojena k zemnímu potenciálu. Přítomnost zemního potenciálu na povrchu pokrytého vodiče vytváří poruchy v elektrickém poli, což je příčinou přítomnosti PD. Pro získání statisticky průkazných výsledků bylo na každém vzorku simulováno několik HIF. Během všech testů byly oba konce pokrytého vodiče opatřeny korónovými štíty, aby se snížil náhodný šum na pozadí pulzů. Rovněž byla použita korónová kamera, aby se potvrdilo, že kromě simulovaných HIF neexistují žádné další zdroje jakýchkoli výbojových aktivit.
Čtěte také: Jak správně izolovat krbovou obestavbu
Analýza dat a výsledky
Data získaná osciloskopem byla analyzována pomocí softwaru Matlab. Signál obsahoval diskrétní spektrální interference pozadí, které byly odstraněny. Prahová hodnota pro extrakci pulzů byla stanovena na základě zkoumání částí signálu, kde nejsou přítomny dílčí výboje. Po odstranění šumu ze signálu byla použita funkce Matlabu "findpeaks" k určení počtu zbývajících pulzů v souboru dat pro každé z 10 měření. Impulzy na klesající hraně 50 Hz nosné vlny byly zanedbány, protože amplituda a počet vrcholů v této části vzorku PD jsou nevýznamné.
Průměrný počet pulzů PD pro každý vzorek se liší. Každá hodnota je průměrem deseti měření s různým umístěním HIF. Pro podrobnější zkoumání těchto výsledků byla provedena simulace elektrického pole uvnitř izolace pokrytého vodiče během simulovaného HIF. Původně se předpokládalo, že s rostoucí maximální intenzitou elektrického pole se bude zvyšovat i počet vrcholů PD. Jak vyplývá z výsledků, počet vrcholů PD neodpovídá maximální hodnotě intenzity elektrického pole. Z výsledků simulace vyplývá, že počet vrcholů PD závisí především na tvaru průřezu jádra. Například vzorky číslo 2 a 4 měly shodný tvar jádra a během experimentu generovaly téměř identickou aktivitu PD, i když se jejich maximální amplitudy intenzity elektrického pole lišily. Podobná situace nastala při porovnání vzorků 2 a 3, které měly téměř identickou hodnotu maximální intenzity elektrického pole, ale velký rozdíl v počtu pulzů generovaných PD aktivitou.
Závěr výzkumu
Detekce HIF založená na rozpoznávání vzorů PD poskytuje lepší citlivost než jiné metody, protože nezávisí na hodnotě poruchového proudu. Obecný tvar vzoru se zdá být stejný pro všechny testované vzorky pokrytých vodičů, ale v počtu vrcholů v získaných vzorcích existují drobné rozdíly. Počet pulzů zřejmě závisí na přesném tvaru hliníkového jádra. Čím více se tvar jádra liší od dokonalého kruhu, tím vyšší je intenzita aktivity PD. Vyšší počet pulzů PD znamená rychlejší degradaci izolačního systému, ale také zvyšuje pravděpodobnost detekce HIF. V reálném prostředí bude počet pulzů záviset také na kontaktní ploše HIF. Pro správnou detekci HIF na základě přítomnosti obrazce PD je nutné důkladné prozkoumání konkrétního pokrytého vodiče, protože vyhodnocovací algoritmus dříve popsaného detektoru používá jako hlavní vstupní parametr počet detekovaných PD pulzů.
tags: #castecne #vyboje #v #izolacnich #systemech #elektrickych