Przyczyny częściowych wyładowań w rozdzielnicach wysokiego napięcia

Wyładowania niezupełne są jednym z najważniejszych wczesnych sygnałów ostrzegawczych o pogorszeniu się izolacji w rozdzielnicach wysokiego napięcia. Chociaż wyładowanie niezupełne nie powoduje całkowitego mostkowania izolacji pomiędzy przewodnikami, powtarzające się wyładowania mogą stopniowo uszkadzać system izolacyjny i zwiększać ryzyko uszkodzenia izolacji, przeskoku płomienia i nieoczekiwanego wyłączenia sprzętu.

Zrozumienie przyczyn wyładowań niezupełnych pomaga inżynierom elektrykom identyfikować defekty na wczesnym etapie i poprawiać niezawodność rozdzielnicy przez cały okres jej użytkowania.

Co to jest wyładowanie częściowe?

Wyładowanie niezupełne to zlokalizowane wyładowanie elektryczne, które występuje tylko w części systemu izolacyjnego. Może rozwijać się w pustej przestrzeni wypełnionej gazem, wzdłuż powierzchni izolacji, wokół ostrej krawędzi przewodnika lub w pobliżu uszkodzenia stałego lub kompozytowego dielektryka.

Zjawisko to zwykle wiąże się z lokalną koncentracją naprężeń elektrycznych. Kiedy lokalne pole elektryczne przekracza wytrzymałość słabego obszaru, następuje krótkie wyładowanie. Wyładowanie może być krótkie i niewielkie, ale powtarzające się działanie może stopniowo osłabiać otaczającą izolację.

Norma IEC 60270 definiuje oparte na ładunkach metody pomiaru wyładowań niezupełnych w urządzeniach elektrycznych, komponentach i systemach testowanych napięciem przemiennym lub stałym. Norma dotyczy również obwodów pomiarowych, kalibracji, pomiarów cyfrowych i separacji sygnałów wyładowań niezupełnych od zakłóceń zewnętrznych.IEC 60270:2025

Jak wyładowanie częściowe niszczy izolację

1. Uszkodzenia chemiczne spowodowane przez naładowane cząstki

Podczas wyładowania niezupełnego elektrony i jony przemieszczają się przez słaby obszar izolacji. Te naładowane cząstki o wysokiej energii zderzają się z cząsteczkami izolacji i mogą rozrywać wiązania chemiczne.

Powtarzające się bombardowania mogą powodować:

1. Rozkład łańcuchów polimerowych

2, erozja powierzchniowa

3, Tworzenie przewodzących zwęglonych ścieżek

4, Chemiczna degradacja żywicy epoksydowej i innych materiałów izolacyjnych

5, Stopniowe zmniejszanie wytrzymałości dielektrycznej

W przypadku izolacji stałej proces ten może powiększyć wewnętrzną wnękę lub utworzyć kanał drzewiasty. Gdy wada stanie się wystarczająco duża, izolacja może nie wytrzymać normalnego napięcia roboczego lub chwilowego przepięcia.

2. Uszkodzenia termiczne i oksydacyjne

Częściowe wyładowanie wytwarza również miejscowo ciepło. Chociaż średnia energia pojedynczego wyładowania może być niska, powtarzające się impulsy skupione w tym samym obszarze mogą podnieść temperaturę otaczającej izolacji.

Powstałe naprężenia termiczne mogą prowadzić do:

1. Lokalne przegrzanie

2. Pękanie oksydacyjne

3, Topienie lub karbonizacja materiałów polimerowych

4, Utrata wytrzymałości mechanicznej

5, Rozszerzanie się wewnętrznych pęknięć i pustek

Uszkodzenia termiczne i chemiczne często wzmacniają się wzajemnie. W miarę jak powierzchnia izolacji staje się bardziej szorstka lub bardziej przewodząca, lokalne pole elektryczne staje się mniej jednolite, co może przyspieszyć dalsze wyładowania.

Rozdzielnica wysokiego napięcia i jej system izolacji

Rozdzielnica wysokiego napięcia to złożony zespół składający się z przewodów, urządzeń przełączających, szyn zbiorczych, elementów izolacyjnych, obudów uziemiających i systemów sterowania.

W zależności od projektu, typowe materiały mogą obejmować:

1. Żywica epoksydowa

2, silikon lub inne tworzywa konstrukcyjne

3. Powietrze lub gaz izolacyjny

4. Sześciofluorek siarki w odpowiednich urządzeniach izolowanych gazem

5, izolacja ceramiczna lub kompozytowa

6. Miedź, aluminium i inne materiały przewodzące

Połączenie różnych materiałów i geometrii tworzy wiele miejsc, w których może wystąpić wyładowanie niezupełne. Jakość produkcji, dokładność montażu, napięcie robocze, temperatura, wilgotność, zanieczyszczenia i starzenie się izolacji mogą mieć wpływ na zachowanie wyładowań niezupełnych.

W przypadku zastosowań w rozdzielnicach odpowiednie wymagania zależą od konstrukcji urządzenia i klasy napięcia. Seria norm IEC 62271 obejmuje aparaturę rozdzielczą i sterowniczą wysokiego napięcia, w tym sprzęt wykorzystujący izolację stałą i gazy izolacyjne.Seria IEC 62271

Główne przyczyny wyładowań częściowych w rozdzielnicach wysokiego napięcia

1. Wady w procesie wytwarzania izolacji

Wady produkcyjne są jednymi z najczęstszych źródeł wyładowań niezupełnych w rozdzielnicach w izolacji stałej.

Wewnętrzne puste przestrzenie i pęcherzyki powietrza

Podczas odlewania, formowania lub kapsułkowania żywicy epoksydowej wewnątrz izolacji mogą pozostać pęcherzyki powietrza. Pustki te mają niższą wytrzymałość dielektryczną niż otaczająca je stała izolacja.

Po przyłożeniu napięcia pole elektryczne wewnątrz pustej przestrzeni staje się wyższe niż średnie pole w materiale stałym. Jest to związane z różnicą pomiędzy stałą dielektryczną gazu wewnątrz pustej przestrzeni a stałą dielektryczną otaczającej izolacji.

W rezultacie gaz we wnęce może ulec rozkładowi przed główną izolacją. Każde wyładowanie może powiększyć pustą przestrzeń, uszkodzić jej powierzchnię i ostatecznie zmniejszyć ogólną wytrzymałość izolacji.

Cząsteczki obce i zanieczyszczenie materiału

Cząsteczki metalu, kurz, wilgoć i inne zanieczyszczenia wprowadzone podczas produkcji mogą powodować lokalne słabe punkty. Zanieczyszczenia przewodzące mogą zniekształcić pole elektryczne lub utworzyć ścieżkę wyładowania pomiędzy różnymi obszarami izolacji.

Typowe przyczyny obejmują:

1. Źle kontrolowane warunki odlewania

2. Nieodpowiednie czyszczenie przed montażem

3. Niewłaściwe przechowywanie elementów izolacyjnych

4. Niewystarczające utwardzenie żywicy epoksydowej

5. Zanieczyszczenie podczas transportu lub instalacji

Pojedyncza usterka wewnętrzna może nie spowodować natychmiastowej awarii, ale może stać się bardziej aktywna w miarę starzenia się sprzętu lub pracy pod zwiększonym obciążeniem elektrycznym.

2. Nierówny rozkład pola elektrycznego

Jednolite pole elektryczne jest niezbędne do niezawodnego działania izolacji. Każdy ostry punkt, nieregularna powierzchnia lub pływający obiekt przewodzący może zwiększyć lokalne pole elektryczne i zainicjować wyładowanie częściowe.

Zadziory i ostre krawędzie przewodów

Zadziory szyn zbiorczych, ostre narożniki, niedokończone krawędzie przewodów i źle ukształtowane elektrody mogą powodować silne stężenie pola elektrycznego.

Efekt ten jest szczególnie istotny w przypadku:

1. Złącza szyn zbiorczych

2, Zaciski kablowe

3、Przenoszenie kontaktów

4, Połączenia śrubowe

5, Elementy ekranujące

6. Wkładki przewodzące wewnątrz formowanej izolacji

Nawet jeśli średnie napięcie robocze mieści się w zakresie znamionowym sprzętu, lokalne pole w pobliżu ostrej krawędzi może przekroczyć poziom inicjacji wyładowania.

Luźne lub pływające cząstki metalu

Cząsteczki metalu wewnątrz obudowy rozdzielnicy mogą zostać naładowane elektrycznie lub poruszać się pod wpływem pola elektrycznego. Ich położenie i potencjał mogą zmieniać się podczas pracy, tworząc niestabilne warunki polowe.

Cząsteczki takie mogą powodować:

1, wzmocnienie pola lokalnego

2. Wyładowanie powierzchniowe

3. Przerywane impulsy wyładowcze

4, śledzenie pobliskiej izolacji

5. Niestabilne wzorce wyładowań niezupełnych

Jest to jeden z powodów, dla których czystość i rygorystyczne procedury montażowe są ważne podczas produkcji i konserwacji rozdzielnic.

Zanieczyszczone lub szorstkie powierzchnie izolacyjne

Kurz, wilgoć, olej i inne zanieczyszczenia mogą zmniejszyć efektywną drogę pełzania na powierzchni izolacji. Chropowata lub uszkodzona powierzchnia powoduje również powstawanie małych koncentracji pól, w których może rozpocząć się wyładowanie powierzchniowe.

Zanieczyszczenie powierzchni jest szczególnie istotne w urządzeniach narażonych na działanie:

1. Wysoka wilgotność

2, Pył przewodzący

3、Sól w sprayu

4, Zanieczyszczenia przemysłowe

5, Kondensacja

6. Słaba wentylacja

Samo czyszczenie może nie rozwiązać trwale problemu, jeśli na powierzchni izolacji pojawiły się już ślady, pęknięcia lub erozja.

Wady uziemionej obudowy

Metalowa obudowa zwykle zapewnia ekranowanie i kontrolowany potencjał odniesienia. Jednakże szorstkie spoiny, pory, wtrącenia żużla i inne wady produkcyjne mogą powodować nieregularne warunki pola elektrycznego w pobliżu uziemionej obudowy.

Wady te mogą wchodzić w interakcję z pobliską izolacją lub częściami przewodzącymi i zwiększać ryzyko wyładowania. Dlatego podczas produkcji i kontroli należy sprawdzić jakość spoiny, geometrię obudowy, ciągłość uziemienia i luzy wewnętrzne.

3. Niejednorodne media dielektryczne

W nowoczesnych rozdzielnicach często stosuje się kompozytowe systemy izolacyjne, w których współpracuje kilka materiałów. Na przykład żywicę epoksydową można łączyć z tworzywami konstrukcyjnymi, gazem izolacyjnym, wkładkami przewodzącymi i szczelinami powietrznymi.

Każdy materiał ma inne właściwości elektryczne i termiczne. Jeśli interfejsy są źle zaprojektowane lub wyprodukowane, pole dielektryczne może nie być równomiernie rozłożone.

Potencjalne problemy obejmują:

1, Słabe wiązanie pomiędzy różnymi materiałami izolacyjnymi

2. Nierówne stałe dielektryczne

3. Luki na stykach materiałów

4, rozwarstwienie wewnętrzne

5. Wilgoć uwięziona pomiędzy warstwami

6. Pustki wokół osadzonych przewodów

Wewnętrzne pęcherzyki i zanieczyszczenia mogą dodatkowo zwiększyć niejednorodność ośrodka dielektrycznego. Pod napięciem roboczym obszary te mogą podlegać większemu naprężeniu elektrycznemu niż otaczająca izolacja i stać się punktem wyjścia wyładowania niezupełnego.

Inne czynniki wpływające na wyładowania częściowe

Wyładowanie niezupełne nie jest spowodowane wyłącznie wadami produkcyjnymi. Kilka warunków operacyjnych i środowiskowych może zwiększyć aktywność wyładowań.

Napięcie robocze

Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia wzrasta również pole elektryczne w słabych obszarach. Wada, która pozostaje nieaktywna przy normalnym napięciu, może spowodować mierzalne wyładowanie podczas zdarzenia przepięcia, testu wytrzymałościowego lub chwilowego wzrostu napięcia systemu.

Temperatura

Temperatura wpływa na właściwości izolacyjne, ciśnienie gazu, rozszerzalność materiału i stan styków. Rozszerzalność cieplna może powiększyć istniejące szczeliny lub spowodować dodatkowe naprężenia na klejonych elementach izolacyjnych.

Wilgotność i kondensacja

Wilgoć może zmniejszyć rezystancję izolacji powierzchniowej i sprzyjać wyładowaniom powierzchniowym. Kondensacja jest szczególnie niebezpieczna, gdy ciepłe i wilgotne powietrze przedostaje się do chłodniejszego przedziału rozdzielnicy.

Starzenie się izolacji

Długotrwałe obciążenia elektryczne, termiczne i mechaniczne mogą powodować starzenie się izolacji. Starzenie się może powodować pęknięcia, odbarwienia, erozję, rozwarstwianie i zwiększoną absorpcję wilgoci, co może zwiększać prawdopodobieństwo wyładowań niezupełnych.

Naprężenia mechaniczne i wibracje

Luźne połączenia, wibracje i powtarzająca się rozszerzalność cieplna mogą powodować powstawanie małych szczelin pomiędzy elementami izolacji. Szczeliny te mogą stać się miejscami wyładowań, zwłaszcza w pobliżu szyn zbiorczych, zakończeń kablowych i osadzonych przewodów.

Wykrywanie wyładowań częściowych w rozdzielnicy

Testy WNZ służą do identyfikacji aktywności wyładowań, zanim przekształcą się one w poważną awarię izolacji. W zależności od sprzętu i celu testu inżynierowie mogą ocenić ładunek pozorny, wielkość wyładowania, wzorce rozdzielone fazowo, powtarzalność impulsów i zmiany w czasie.

Rzetelny test powinien obejmować:

1. Odpowiedni przyrząd pomiarowy i układ czujników

2. Prawidłowa kalibracja układu pomiarowego

3, Skuteczna kontrola zakłóceń zewnętrznych

4. Prawidłowe uziemienie i ekranowanie

5, stabilne napięcie testowe i warunki środowiskowe

6. Porównanie z ograniczeniami technicznymi i zapisami poprzednich testów

Weshine Electric to profesjonalny producent zajmujący się badaniami, rozwojem i produkcją sprzętu do testowania i pomiarów wysokiego napięcia. Wyposażona w znormalizowane warsztaty produkcyjne i niezależne laboratoria kalibracyjne, fabryka ściśle przestrzega norm IEC i systemów zarządzania jakością ISO, aby zapewnić, że każdy przyrząd zapewnia stabilne, powtarzalne i odporne na zakłócenia wyniki testów w zastosowaniach w globalnej energetyce.

Cyfrowy tester wyładowań częściowych GDJF-2007 został niezależnie opracowany i skalibrowany fabrycznie przez firmę Weshine Electric. Można go stosować do cyfrowych pomiarów i analiz wyładowań niezupełnych w sprzęcie wysokiego napięcia.  W zastosowaniach praktycznych przyrząd może pomóc w ocenie wielkości wyładowań niezupełnych, wzorców wyładowań i stanu izolacji. Dokładną konfigurację badań i kryteria akceptacji należy dobrać zgodnie z projektem rozdzielnicy, obowiązującymi normami i dokumentacją techniczną producenta.

Często zadawane pytania

Jaka jest najczęstsza przyczyna wyładowań niezupełnych w rozdzielnicach?

Najczęstsze przyczyny to wewnętrzne puste przestrzenie, pęcherzyki powietrza, zanieczyszczenia, ostre krawędzie przewodników, zanieczyszczenie powierzchni, słaba izolacja i nierówny rozkład pola elektrycznego.

Czy wyładowanie niezupełne można zobaczyć bezpośrednio?

Zazwyczaj wyładowań niezupełnych nie widać podczas normalnej pracy. Jest powszechnie wykrywany za pomocą elektrycznych, ultradźwiękowych lub innych specjalistycznych metod pomiarowych.

Czy wyładowanie niezupełne zawsze oznacza natychmiastową awarię sprzętu?

Nie. Wyładowanie niezupełne może rozwijać się stopniowo. Jednakże utrzymująca się lub rosnąca aktywność wyładowań niezupełnych wskazuje na pogorszenie izolacji i wymaga profesjonalnej oceny.

W jaki sposób ostre krawędzie szyn zbiorczych powodują wyładowania częściowe?

Ostre krawędzie skupiają pole elektryczne. Pole lokalne może stać się znacznie silniejsze niż pole przeciętne, umożliwiając rozpoczęcie wyładowania w pobliżu krawędzi.

Jak można ograniczyć wyładowania niezupełne w rozdzielnicach?

Skuteczne środki obejmują poprawę produkcji izolacji, usuwanie zadziorów, kontrolę czystości, zapobieganie wilgoci, optymalizację gradacji pola elektrycznego, poprawę uziemienia obudowy i przeprowadzanie regularnych testów WNZ.

Wniosek

Wyładowania niezupełne w rozdzielnicach wysokiego napięcia są zwykle wynikiem połączenia wad izolacji, stężenia pola elektrycznego, niejednorodnych materiałów dielektrycznych, warunków środowiskowych i długotrwałego starzenia.

Wewnętrzne puste przestrzenie, zanieczyszczenia, ostre krawędzie szyn zbiorczych, pływające cząstki metalu, zanieczyszczone powierzchnie i słabe styki izolacyjne mogą powodować lokalne naprężenia elektryczne. Po rozpoczęciu wyładowania erozja chemiczna i uszkodzenia termiczne mogą stopniowo osłabiać izolację.

Regularne testowanie wyładowań niezupełnych dostarcza cennych informacji na temat stanu izolacji i pomaga zespołom konserwacyjnym zidentyfikować rozwijające się problemy, zanim nastąpi poważna awaria. W celu dokładnej diagnozy badania powinny być wykonywane przez wykwalifikowanych specjalistów przy użyciu odpowiednio skalibrowanego sprzętu i procedur zgodnych z obowiązującymi normami.

Wspierany przez wewnętrzne badania i rozwój, standaryzowaną produkcję fabryczną i ścisłą kalibrację jakości, Weshine Electric w dalszym ciągu dostarcza niezawodne przyrządy do testowania wysokiego napięcia i profesjonalne rozwiązania techniczne do konserwacji podstacji, kontroli sieci energetycznej i diagnostyki przemysłowych systemów elektroenergetycznych na całym świecie. Zachęcamy do kontaktu z naszym zespołem w celu uzyskania arkuszy danych technicznych, niestandardowych rozwiązań testowych i fabrycznego wsparcia hurtowego.