Опубликован: 16.01.2023 года.
Ссылка: Трибоэлектростатический способ диагностики электрического старения высоковольтных изоляторов
Известно, что повседневная безопасная работа всех существующих высоковольтных электрических сетей различного назначения напрямую зависит от технического состояния опорной и подвесной изоляции, например, керамической или стеклянной. В настоящее время используется достаточно успешно множество методов диагностики состояния изоляторов, как требующие отключения рабочего напряжения, так и на действующем оборудовании. Например: измерение сопротивления изоляции, ультразвуковой, акустический, ультрафиолетовый, тепловой.
Согласно статистическим данным, главной проблемой высоковольтных электрораспределительных и т.п. сетей являются разрушения высоковольтных изоляторов – электрический пробой. На основании анализа различных работ в области дефектовки высоковольтных изоляторов, можно заявить, что в настоящее время однозначного ответа на вопрос, почему периодически выходят из строя исправные и прошедшие различную диагностику высоковольтные изоляторы — нет.
Все существующие методы диагностики высоковольтных изоляторах достаточно точно определяют наличие уже существующих, проявленных потенциально опасных дефектов внутри высоковольтного изолятора.
В настоящее время ранняя диагностика возможного развития электрического пробоя в высоковольтных изоляторах, прошедших классическую диагностику существующими методами — не возможна.
Предположительно связано это с тем, что работающий высоковольтный изолятор очень медленно накапливает внутренний электростатический заряд, который напрямую связан с таким понятием, как электрическое старение изолятора. Такой заряд распространяется внутри изолятора неравномерно и до определённого значения — не влияет на существующие методы диагностики. При этом каждый изолятор достаточно успешно проходит регулярную классическую диагностику.
Электрическое старение развивается за счёт медленного изменения химического состава и структуры изолятора, в котором накапливается статический заряд. В этом случае процесс электрического пробоя уже развивается с напряжённостью значительно меньшую, чем электрическая прочность диэлектрика.
Можно сказать, что каждый высоковольтный изолятор, это долгосрочный аккумулятор энергии — электростатического потенциала. Чем дольше и сильнее воздействие, тем больший электрический заряд проникает в толщу диэлектрика.
Электрическое старение изолятора является основным фактором возникновения электрического пробоя в изоляторах, которые прошли все стадии классической диагностики.
Четкую границу между этими двумя состояниями такого изолятора можно определить только экспериментально. В этом случае изолятор будет уже не пригоден для эксплуатации. Не возможно заранее определить возможность электрического пробоя “исправного” изолятора, который со временем, как аккумулятор, очень медленно накапливает внутри потенциал. Чем больше времени работает высоковольтный изолятор, тем больший электрический заряд проникает в толщу диэлектрика, тем меньше становится напряжение электрического пробоя.
Таким образом, для целей контроля процесса электрического старения высоковольтного изолятора, необходимо работать с электростатикой.
С учётом выше изложенного, предлагается простейший и принципиально новый трибоэлектростатический способ диагностики электрического старения высоковольтных изоляторов при отключенной сети. Это позволяет однозначно определить возможность развития электрического пробоя в высоковольтном изоляторе в ходе технического обслуживания, который прошёл классическую диагностику.
Способ основан на поляризации изолятора за счёт трибоэлектрического эффекта с последующим контролем скорости уменьшения наведённого заряда.
Известно, что трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения. Является типом контактной электризации, в которой некоторые материалы становятся электрически заряженными после того, как они входят в фрикционный контакт с другим материалом. Механизм ее заключается в перераспределении зарядов внутри нейтральных атомов и молекул под действием поля. Например, когда человек проводит рукой по ковру — он заряжаете свое тело статическим напряжением более 1000 вольт. Одна тысяча вольт едва заметна в темноте, издаёт легкий тикающий звук и чувство лёгкого укола иголкой.
Рассмотрим распределение наведённого заряда в исправном изоляторе посредством трибоэлектрического эффекта. При трении изолятор приобретает энергию (заряд) только в том месте, где происходит непосредственный фрикционный контакт. Из-за плохой проводимости энергия (заряд) вглубь проводника проникает медленно. Таким образом, после прекращения наведения зарядов на изоляторе, последние равномерно распределяются по всей поверхности изолятора. Наблюдается остаточная поляризация.
Остаточная поляризация со временем уменьшается за счёт удельной объёмной проводимости изолятора. Это связано с релаксационными процессами, перемещением зарядов во внутреннее поле изолятора. Скорость таких процессов зависит от качественного электростатического состояния изолятора.
Таким образом, контролируя скорость уменьшения наведённого заряда с поверхности изолятора – можно судить о его качественных характеристиках.
Техническая реализация заявленного способа представлена следующим образом.
- На отключенном оборудовании все металлические электроды изолятора закорачивают на землю, см. рис. № 22.1. Изолятор превращается в конденсатор с одни электродом. Таким образом обнуляется заряд внутри изолятора.
Рис. № 22.1. Заземление керамического изолятора.
2. К средней самой широкой части изолятора подключается электронный электрометр, см. рис. № 22.2. Электронный электрометр — прибор, который служит для количественного измерения электростатического потенциала с очень низкими токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера (10-15 Ампер).
Рис. № 22.2. Соединение измерительного зонда электрометра с поверхностью керамического изолятора.
3. Техническое обслуживание высоковольтных изоляторов всегда связано с очисткой поверхности от загрязнений. В заявленном способе очистка изолятора совмещена с трибоэлектрическим фрикционным эффектом наведения зарядов на поверхности изолятора, см. рис. № 22.3. Согласно трибоэлектрического ряда на поверхности высоковольтного изолятора из керамики или стекла наводится положительный заряд при трении полиэтиленом.
Рис. № 22.3. Трибоэлектрическое наведение заряда на поверхности керамического изолятора.
4. После завершения очистки изолятора и наведения на нём электрического заряда по показаниям электрометра определяется скорость уменьшения наведённого заряда за определённый промежуток времени, например, за 2 сек. Примерные графики зависимостей наведённых зарядов от времени для исправного и потенциально опасного изолятора одного конструктивного исполнения из одного и того же материала показаны на рис. № 22.4.
Рис. № 22.4. Графики зависимостей наведённых зарядов от времени для исправного и потенциально опасного изолятора.
ВЫВОД:
- Предложен принципиально новый трибоэлектростатический способ диагностики электрического старения высоковольтных изоляторов при отключенной сети, который позволяет на ранней стадии однозначно определить возможность развития электрического пробоя в высоковольтном изоляторе, который прошёл классическую диагностику и не был идентифицирован, как потенциально опасный.
- Предложено техническое решение реализации заявленного способа на основе любого электронного электрометра электростатического потенциала с токами утечки уровня 1-10 фемтоампер (1-10 в -15 степени ампер).
- Приведена структурная схема и описание основных технологических этапов реализации заявленного способа.
- Для целей подтверждения заявленного способа может быть проведён эксперимент в школьном кабинете физики с стрелочным электрометром и керамической кружки. После наведения электростатического заряда на кружке полиэтиленом, последняя подсоединяется к электрометру. Показание электрометра плавно уменьшается.
- Предложен самый бюджетный вариант диагностики высоковольтных изоляторов после визуального осмотра. Основные затраты будут отнесены на электронный электрометр, стоимость которого начинается от 20 т.р. К тому же электронный электрометр на основе работы затвора полевого транзистора — достаточно просто и практически бесплатно может быть собран любым “радиолюбителем”.