Модулированная магнитным полем динамика частичных разрядов в дефектах высоковольтных изоляционных материалов

Jun 01, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22048 (2022) Цитировать эту статью

1502 Доступа

3 цитаты

Подробности о метриках

В этой статье представлены оригинальная методология измерения и подход к обнаружению для определения влияния магнитного поля на динамику частичных разрядов (ЧР). Области применения относятся к системам изоляции сетевых и промышленных сетевых устройств, а также к развивающимся сегментам, таким как высокоскоростные железные дороги, электромобили или более электрические самолеты. Традиционно измерения ЧР проводятся только в электрическом поле, однако взаимодействие магнитного и электрического полей влияет на динамику ЧР. Методика измерений позволила количественно обнаружить влияние магнитных полей на ЧР в двух репрезентативных схемах: в газовой полости в диэлектрическом материале и в установке «точка-плоскость короны». Измерения в обеих конфигурациях выявили усиление интенсивности ЧР. Количественное сравнение эволюции ЧР в магнитном поле является новым аспектом, показанным в этой статье. Сочетание фазово-разрешенных изображений и временных диаграмм интенсивности, полученных при переключении магнитного поля, позволило визуализировать и количественно определить это влияние. Этот эффект объясняется расширением траектории заряженных частиц и увеличением энергии электронов за счет ускорения. Таким образом, исследуемое воздействие магнитного поля можно воспринимать как дополнительный элемент, влияющий на динамику ЧР.

Электрическая изоляция устройств электросетей и промышленных сетей, а также развивающихся сегментов, таких как высокоскоростные железные дороги, электромобили или более электрические самолеты, подвергается все более высоким нагрузкам из-за повышенных уровней напряжения в этих приложениях. Основное внимание в этой статье уделяется оригинальной методологии измерений и подходу к обнаружению для определения влияния магнитного поля на динамику частичных разрядов (ЧР). Это новая тема исследований, поскольку традиционно измерения ЧР проводятся только в электрическом поле, однако взаимодействие магнитного и электрического полей может влиять на их поведение. Высоковольтное электросиловое оборудование постоянно подвергается воздействию как электрических, так и магнитных полей. Важно отметить, что системы изоляции различных сетевых устройств, подстанций, железнодорожных и промышленных сетевых устройств, таких как силовые трансформаторы, кабели, системы и линии с элегазовой изоляцией, преобразователи, двигатели и генераторы, также подвергаются воздействию магнитных полей, вызываемых протеканием тока в проводниках; это относится как к случаям переменного, так и к постоянному току. Поскольку надежность электроэнергетического оборудования высокого и среднего напряжения имеет решающее значение для передачи и преобразования энергии, разрабатываются передовые методы проектирования и диагностики. Один из ключевых показателей качества изоляции высокого напряжения (ВН) сегодня основан на измерении частичных разрядов. Существуют различные формы разрядов, связанные с дефектами, которые можно обнаружить внутри или на поверхности электроизоляции. В этом контексте обычно можно отличить внутренние разряды в крошечных воздушных включениях, называемых пустотами, а также поверхностные разряды или коронные разряды. Эта эволюция частичного разряда связана с такими стадиями стримера, как зарождение, формирование канала и развитие. Стримеры обычно интерпретируются как микроканалы ионизированного газа и распространяются вдоль силовых линий электрического поля. При наличии магнитного поля, наложенного на электрическое, траектория стримера изменяется за счет дополнительной силы Лоренца, действующей на заряженные частицы; это приводит к сложному круговому движению. Распространение стримеров в очень сильном магнитном поле (10 Тл) было показано в [1]. Экспериментальные наблюдения в данной работе были направлены на отслеживание траектории стримера в присутствии магнитного поля. Показано, что на дрейфовое движение в скрещенных электрическом и магнитном полях влияет угол Холла. Без рассеяния электроны движутся по циклоидальным орбитам в направлении, перпендикулярном электрическому и магнитному полям. При каждом акте рассеяния импульс электрона меняется и происходит новый циклоидальный путь. Путь, соединяющий последовательные события рассеяния, образует траекторию. Визуальные наблюдения показали, что при увеличении магнитного поля разряд явно отклоняется в сторону с увеличением угла. При более высоких давлениях стримеры ветвятся чаще, и скорость распространения стримеров уменьшается с ростом давления. В работе 2 сообщалось о воздействии переменного магнитного поля на точечно-плоскостную корону, измеряемую в диапазоне сверхвысоких частот (УВЧ). Показано, что спектральная плотность мощности в короне снижается в диапазоне УВЧ 650–800 МГц при наличии магнитного поля (250–300 Гаусс) для зазоров от 15 до 40 мм. Исследование магнитного поля при коронных разрядах постоянного тока в низком вакууме показано в работе3. Показано, что влияние магнитного поля на ток разряда наиболее существенно при отрицательных коронных разрядах, а не при положительных. В работе 4 описана магнитоусиленная отрицательная корона, возникающая в результате проникновения поля в область ионизации. Было замечено, что относительное увеличение тока разряда было значительно больше, когда постоянные магниты располагались вблизи разрядного электрода, чем возле собирающего электрода. На возникновение короны и напряжение пробоя большое влияние оказало наличие магнитного поля, как наблюдалось в [5]. Было обнаружено, что напряжение возникновения короны и напряжение пробоя уменьшаются с увеличением скрещенного магнитного поля. Влияние постоянного магнитного поля на фазово-разрешенные картины ЧР в конфигурации корона-конус-плоскость обсуждалось в [6]. Показано, что на величину и фазовое распределение картин частичных разрядов влияет перпендикулярное магнитное поле. В работе7 проанализировано влияние внешнего магнитного поля (128 мТл) на статистические параметры частичных разрядов в пустотах. Было обнаружено, что, хотя видимые различия появляются в картине ЧР с приложенным магнитным полем и без него; их нельзя объяснить исключительно действием силы Лоренца. Поскольку на сегодняшний день картины ЧР являются современными средствами диагностики высоковольтной изоляции силового оборудования8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, влияние других факторов, таких как магнитный фон поля, как и гармоники напряжения18, важны для правильной интерпретации любых результатов измерений. Влияние продольного магнитного поля на параметры плазменного источника электронов и оптимизацию геометрии было показано в работе19. Магнитное поле влияло на характеристики электрического пробоя в газе. Исследования, проведенные в аргоне и азоте как в скрещенных, так и в параллельных полях, показали зависимость выхода электронов от магнитного поля20.