автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка метода диагностики зарождения и развития разрушений в электрической изоляции по тепловым эффектам

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДО! ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

1.1. Обоснование и выбор метода исследования температурных полей.

1.2. Методика эксперимента.

1.3. Обработка фотографической информации

1.4. Анализ экспериментальных погрешностей.

1.4.1. Погрешность измерения разности температур и абсолютных температурных уровней

1.4.2. Погрешность измерения величины испытательного напряжения и определения значений максимальной напряженности поля.

1.4.3. Погрешность определения времени зарождения дендритов тепловизионным методом

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

2.1. Характер развития разрушения полимерных диэлектриков

2.2. Тепловые эффекты в процессе развития разрушения полимерных диэлектриков при многоимпульсном воздействии напряжения.

2.3. Пространственно-временные характеристики дендри-тообразования полимерных диэлектриков

2.4. Разработка методики определения электрической прочности монолитной полимерной изоляции

3. РАЗРАБОТКА ТЕШЮВИЗИОННОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ НАГЕУЖЕНИИ ЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.

3.1. Оценка мощности источников тепловыделения на начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков

3.2. Оценка разрешающей способности тепловизионно-го метода при контроле начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков. III

3.3. Применение тепловизионного метода для диагностики состояния изоляции высоковольтных конструкций

В В Е Д Е Н И Е А к т у а л ь н о с т ь п р о б л е м ы Создание крупных энергетических систем, рост производства и потребления электроэнергии ведет к ужесточению режимов работы высоковольтных изоляционных конструкций вследствие увеличения передаваемой удельной мощности и рабочего напряжения. Внезапный отказ высоковольтных конструкций, обусловленный пробоем изоляции, приводит к аварийному простою оборудования и значительным экономическим потерям. Все более широкое применение твердых полимерных диэлектриков в виде монолитных изоляционных конструкций в энергетике и импульсной технике диктует необходимость разработки эффективных методов диагностики начальной стадии их разрушения в электрическом поле. В настоящее время существуют достаточно надежные методы контроля состояния комбинированной (бумажно-масляной, пленочно-масляной и др.) изоляции, основанные на регистрации характеристик частичных разрядов /1-5/, интенсивности газовыделения и его химического состава /6/, измерении тангенса угла диэлектрических потерь, сопротивления изоляции и токов абсорбции /7-10/, влаго- и газосодержания масла Д Х и др. Однако известные методы дают общую (интегральную) характеристику состояния изоляции и не позволяют контролировать появление в ее объеме локальных очагов разрушения, предшествующих пробою. Разработка методов диагностики состояния полимерных диэлектриков тесно связана с исследованием закономерностей их электрического старения и пробоя. Грамотный выбор параметра для осуществления контроля требует знания доминирующих факторов, предопределяющих, либо сопровождающих разрушение диэлектрика в сильном электрическом поле. В настоящее время отсутствует единое мнение о закономерностях II 4. Установлено, что мощность источников тепловыделения на начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков зависит от средней разности потенциалов на локальном участке изоляции, определяемом длиной дендрита. 5. На основании полученных закономерностей изменения температурно-временных параметров процесса разрушения полимерной изоляции, а также оценки разрешающей способности тепловизионного метода предложен способ контроля состояния изоляции, на который получено положительное решение на изобретение по заявке 3583537/ 24-21 от 20.03.1984 (приор, от 21.04.1983 Практическая ляется: ценность работы опредеразработкой новой методики определения длительной электрической прочности полимерной изоляции и оценки ее ресурса, при реализации которой значительно сокращается материалоемкость и трудоемкость. Методику можно рекомендовать для определения "кривых жизни" силовых кабелей с полимерной изоляцией на ограниченный ресурс их работы; разработкой нового эффективного метода диагностики состояния изоляции по тепловым эффектам, который может быть применен в научных исследованиях, при контрольных и профилактических испытаниях высоковольтных изоляционных конструкций. Метод апробирован на кремнийорганических изоляторах типа Ж-70/35 и Ж-70/IIO, а также изолированных жилах с толщиной изоляции 10 мм. С о д е р ж а н и е р а б о т ы Первая

Исходя из цели и задач, поставленных в работе, разработа на методика исследования процесса разрушения полимерных диэлект риков в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн. Исследована динамика тепловых процессов, сопровождающих зарождение и разви тие разрушений в полимерных диэлектриках на переменном и импульс ном напряжении. Исследовано влияние величины напряженности внеш него электрического поля при длительном воздействии переменного и импульсного напряжения, а также формы, полярности и частоты следования импульсов напряжения на пространственно-временные ха рактеристики дендритообразовання. Произведена оценка мощности источников тепловыделения и интегрального перепада температуры в зоне действия источников на начальной стадии разрушения поли мерных диэлектриков. Оценена разрешающая способность тепловизи онного метода при контроле начальной стадии разрушения полимер ных диэлектриков. Основные результаты работы заключаются в сле дующем:

1. Установлен ступенчатый характер изменения температуры на поверхности диэлектриков в процессе зарождения и развития раз рушения, согласно которому этот процесс включает несколько ста дий. Переход от предыдущей к последующей стадии разрушения, не завистю от условий испытания и материала испытываемых диэлект риков, сопровождается скачкообразным увеличением перепада темпе ратуры в 1,5-2 раза.2. Между продолжительностью стадии развития разрушения, со ответствующей интервалу времени между моментом регистрации вто рого и третьего температурных скачков, и временем до пробоя ди электриков установлено наличие линейной корреляционной связи. Получено эмпирическое выражение, позволяющее оценить ресурс по лимерных диэлектриков в неоднородном электрическом поле.3. Установлена линейная корреляционная связь между напряжен ностью поля, достаточной для пробоя локального участка изоляции, и напряженностью поля, при которой тормозится развитие деццритов, и длиной дендритов, а также между продолжительностью додеццрит ной стадии старения полимерных диэлектриков в резконеоднородном электрическом поле и локальным коэффициентом неоднородности поля,

4. Показано, что результаты измерения и расчета характерис тик дендритообразования в локальном объеме изоляции и резконеод нородном поле можно экстраполировать на большие объемы материала и однородное (слабонеоднородное электрическое поле для определе ния электрической прочности изоляции высоковольтных конструкций на ограниченный ресурс их работы. Предложен новый способ опреде ления длительной электрической прочности полимерной изоляции, на который получено положительное решение на изобретение по заявке В 3692024/24-21 от 18.09.84 (приор, от 16.01.84).5. Предложена новая методика определения "кривых жизни" по лимерной монолитной изоляции для случая слабонеоднородных элект рических полей, основанная на экстраполяции характеристик дендри тообразования к однородногду полю. Методика может быть применена для экспрессного определения электрической прочности изоляции си ловых кабелей при ограниченном ресурсе их работы.6. Показано, что на начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков мощность источников тепловыделения зависит от сред ней разности потенциалов на локальном участке изоляции, определя емом длиной дендрита, а также от материала испытываемых диэлект риков.7. Оценена интегральная температура в зоне действия источни- 133 -

ков тепловыделения на начальной стадии разрушения полимерных диэлектриков и предельная глубина залегания, с которой можно об наружить зароащение разрушения в полимерных диэлектриках по теп ловому контрасту на их поверхности.8. На основании полученнык закономерностей изменения темпе ратурно-временных параметров процесса разрушения полимерной изо ляции, а также оценки разрешающей способности тепловизионного метода предложен способ контроля состояния изоляции, на который получено положительное решение на изобретение по заявке № 3583537/

24-21 от 20.03,1984 (приор, от 21.04.83). Способ апробирован на кремнийорганических изоляторах типа ЛК-70/35 и Ж-70/IIO, а так же изолированных жилах с толщиной изоляции 10' мм и может быть рекомендован для обнаружения грубых технологических дефектов в изоляции, а также для диагностики ее состояния в процессе эксплу атации высоковольтных конструкций.В заключение автор приносит свою искреннюю благодарность доценту Дмитревскому B.C. за научное руководство работой. Автор благодарен сотрудникам отдела J^ 4 НИИ высоких напряжений, где выполнялась настоящая работа.

1. Вдовико В.П. Методы исследования электрического старения твердой и комбинированной изоляции.- В кн.: Электрофизические проблемы применения твердых и комбинированных диэлектриков в технике высоких напряжений. Новосибирск: Наука, Сиб.отд., 1974,с.94-99.

2. Сви П.М. Измерения частичных разрядов в изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем.- М.: Энергия, 1977, 199 с.

3. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов.- Введ.01.07.84, 22 с.

4. Mason Хн. The significance of cLischmgt measuzemeats fa insulation cyuatity Conttot-WoztcL E&ctzotechn. Congtess.^une377, Moscow, 3A, fhpei 05,24/>•

5. Амбросович В.Д., Бережанский В.К. Расчет абсорбционных характеристик изоляции и возможность их использования для контроля увлажнения изоляции электрических машин.- Электричество, 1976, J& 12, с.28.

6. Исэки Нобуру. Процесс старения электрической изоляции и новая техника определения степени износа изоляции.- Дэнки кэйсан, 1978, 46, £ 8, с.21-25.

7. Ильченко Н.С., Кириленко В.М. Полимерные диэлектрики.-Киев: Техн ка, 1977, 170 с.

8. Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердыхдиэлектриков.- Л.: Энергия, 1968, 188 с.

9. Noting A On the. Hieakdown me.chan.ism of ingomoqeneous solid dielectzccs. Rev. tourn. ScL.tzcAn. Set. electro-teckn • et f9?9> £4, />. GS1-CC5.

10. ЬтЫтапп И. Zundyolumina Lnkomoyen teanspiuchtbi BstsioffisotteuLngea. BuM. SckwuZ. ^ЫкЫЬ^кп- Vvi-, 4*377, C3}S. 595-599.

11. Woliex. favitib., Johnson Julian F.t Tanafca John. Ve^ada-tion product analysis, fen polymeuc di&tedMc та^ггай exposed to partial cLzth<vi$&> Ticms. Eiec. Insulat,

12. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях.- Л.: Энергия, Ленингр.отд-ние, 1979, 224 с.

13. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей).- М.: ЩЩ, 1958, 908 с.

14. Воробьев А.А., Завадовская Е.К. Электрическая прочность твердых диэлектриков.- М.: ГИТТЛ, 1956, 312 с.

15. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков.- М.: Высшая школа, 1966, 224 с.

16. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Завадовская Е.К., Каляц-кий И.И. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород.- Томск: Изд-во ТТУ, 1971, 217 с.

17. Семкин Б.В., Королев B.C. 0 механических аспектах электрического пробоя твердых диэлектриков.- Изв.вузов, Физика, 1972, № 9, с.127-130.

18. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.- М.: Наука, 1974, 560 с.

19. Дмитревский B.C. Расчет и конструирование электрической изоляции.- М.: Энергоиздат, 1981, 392 с.

20. Регель В.Р., Поздняков О.Ф., Амелин А.В. Исследование процессов термо- и механодеструкции полимеров с применением масс-спектрометров.- Механика полимеров, 1975, № I, с.16-32.

21. Ушаков В.Я., Важов В.Ф., Робежко А.Л., Ефремова Г.В. Измерение характеристик светорассеяния как метод исследования электрического старения твердых диэлектриков.- Письма в ЖТФ, 1981, т.7, в.З, с.155-158.

22. Робежко А.Л., Важов В.Ф., Ефремова Г.В., Лебедев С.М., Ушаков В.Я. Кинетика разрушения твердых полимеров при длительном нагружении электрическим полем.- ФТТ, 1981, т.23, в.П, с.3360-3365.

23. Ушаков В.Я., Робежко А.Л., Ефремова Г.В. Закономерности развития разрушения полимеров при длительном нагружении электрическим полем.- ФТТ, 1984, т.26, в.1, с.45-49.

24. TbflQ-ka Т., ^Чеепwood A.-Effect of skongz inaction, and extraction on tn.ee. uutcatcon Ln polyethylene* -HEEE 7гетб. Pone* AffVx.dnd Sad., 19?*, 9?t,p.iTM9- 4?S?.

25. Wi-rdte H i Schottky Lnj^ttCcn wviznts in LnsuCa-bcns {Jul effect df срасе on "the. it me dependence.

26. EE lzcms-E(ec. Jnsnfat., Id??, p.W-W.

27. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков (область сильных полей).- Томск: йзд-во ТЕУ, 1977, 252 с.

28. InuCslu У- Hifrh Fetid conduction and faeohdown In Sotid diefccbud .-JE£E Tvw4.cn Elec. %lut<d., Vot. 6 J "IS mo, p-<59- is1

29. Mc. Mac-hon A iubcniai of Ъые.Спд.- %EEETiam.E&e. Vmiiteb., m*t Р-М9-Ш.36. 1e.da Manyufci . VLzfeebui iizakdown fioce&S offpofymen*7FEE TLanA . Eton. WO, 15,Ы5, f-tot-Ш

30. Воробьев А.А., Иванчин А.Г. Заряжение стенок трещины в неоднородном поле механических напряжений.- Материалы У-го Всесоюзного симп. по механоэмиссии и механохимии твердых тел.-Таллин, 1975, т.1, с.188-193.

31. Барамбойм Н.К. Механоэмиссия высокомолекулярных соединений.- М.: Химия, 1978, 384 с.

32. Вершинин Ю.Н., Зотов Ю.А. Перегревная неустойчивостьв кристаллических изоляторах в предпробивном электрическом поле.-ФТТ, 1975, т.17, в.З, с.826-833.

33. ТоигеМя А• Hifyh-fUtd conduction, and osci^&tionsin pofymeU.- «?. 4/fl Pip. MB, К 4Г, p. mi-M6S.

34. Мыльников B.C., Воронин С.П. Осцилляции тока и свечениев органических полимерах в сильных электрических полях.- ЖТФ, 1980, т.50, в.1, с.I70-I7I.

35. Электрические свойства полимеров /Под ред.Сажина Б.И. Изд.2-е, пер. Л.: Химия, 1977, 192 с.

36. Умнов А.Я., Ушаков В.Я., Лебедев С.М., Бажов В.Ф. Зависимость числа импульсов до пробоя полимерной изоляции от частоты.- Электротехника, 1982, № 10, с.34-36.

37. Лебедев С.М., Бажов В.Ф., Ушаков В.Я. Эффект объемного заряда в полимерах при длительном воздействии электрического поля.- ЖТЕ, 1983, т.53, № 4, с.752-754.

38. Лебедев С.М. Разработка методик и исследование объемного заряда в полимерах в процессе их электрического старения.-Канд.дисс. Томск, 1982, с.132.

39. Лебедев С.М., Бажов В.Ф., Ушаков В.Я. Устройство для акустического зондирования поля объемного заряда в твердых диэлектриках.- ПТЭ, 1983, №6, с.183-184.

40. ШИпр Mdcoim Wciinm Lzoncuid, Wiikoru fol&it. Tehz-mat ш>Ыоп of eieciucai Cmutatin^ тссЫчл.ай. УЕЕЕ ТгаМ.Е£ес. JmtitcLt., tW, €, f>.t£-3o.

41. Adeirnec V. Fie£d-en hanced condicicoa cu a cause of iiea&down in pofymen.Cc die feet ucsiZ. 3nt. И/tSS. кс^од. Techn-Hochsth. Жгпепац, 197?, //./, s.l.t S. d.} p. 5S-5X.

42. Шумилов Ю.Н., Шумилова Э.Д. Исследование нагрева диэлектрика при длительном воздействии частичных разрядов.- Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы, 1977, вып.7, с.94-96.

43. ИИпкеШтрек Huntick t /Catknen, Willed, lirdt^ucku-n^en li&vi o(en Tempezatutajbsbi^ ven dem <ftuicksck£b.$ tn fa-tea pofy-meien folcetdoffen.- StMidtichn. тч, A.35, 5-eel•

44. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник /Л.И.Анатычук.- Киев: Наук.думка, 1979, 768 с.

45. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур.- М.: Наука, 1982, 296 с.

46. Катыс Г.П. Оптические датчики температуры.- М.-Л.: Гос-энергоиздат, 1959, И2 с.

47. Справочник по приборам инфракрасной техники /под ред. Л.З.Криксунова.- Киев: Техн ка, 1980, 232 с.

48. Справочник по основам инфракрасной техники /Л.З.Криксу-нов.- М.: Сов.радио, 1978, 400 с.

49. Левитин И.Б. Инфракрасная техника.- Л.: Энергия, 1973, 160 с.

50. Катыс Г.П., Чубаров Е.П. Современные методы и системы контроля температурных полей.- Приборы и системы управления,1971, гё 10, с.17-20.

51. Шнейдерман Я.А. Новые методы неразрушющего контроля качества и технической диагностики.- Зарубежная радиоэлектроника, 1974, № 3, с.54-92.

52. МиЩ ол У. М•> Упд, P. W. Liquid ctystai and ui^t&cltcl bk&i-m&l me&suzerneats of- mono&tkiz inflacjedсitcuit chips.- 3n :Jn-te^nationoi В he. Citcu i t Packaging Sump., Son fmncisko, Ш, f>> <2//- 3//5.

53. Ллойд Дж. Системы тепловидения.- М.: Мир, 1978, 416 с.

54. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионныеприборы и их применение.- М.: Радио и связь, 1983, 168 с.

55. Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры.- М.: Энергия, 1979, 208 с.

56. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов.- Л.: Машиностроение, 1977, 600 с.

57. Резвых К.А. Расчет электростатических полей.-М.: Энергия, 1967, 120 с.

58. Барбанель И.С. Опто-электроника при обработке кинофотоматериалов.- М.: Искусство, 1980, 188 с.

59. А.с. 964673 (СССР). Устройство для считывания изображений /В.М.Корбаков.- Опубл. Ей № 37 , 07.10.82; приор.П.03.81.

60. Корбаков В.М., Шапоренко А.Г. Полуавтоматическая система расшифровки радиографических снимков.- В сб.: Труды научно-исследовательского института электронной интроскопии.- М.: Атом-издат, 1979, с.25-30.

61. Калоша В.К., Лобко С.И., Чикова Т.С. Математическая обработка результатов эксперимента.- Минск: Высш.школа, 1982, 103 с.

62. Etrnoblemenay M.A., Bq&u A.A-, and Meshed У. К Some o&tnmtionb on tuz раЬЫъпб in PMMA und&i aH&inatin^ votia^rУЕЕЕ Ttaru.ESec. Jnsuiat., Ш&, 1?, W, p. ?6-io.

63. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.-М.: Наука, 1981, 720 с.

64. Любимова Т.Е., Рудь В.И. Импульсные конденсаторы с высокой удельной энергией.- Тезисы докладов Всесоюзного научно-исследовательского совещания "Состояние и перспективы развития электрической изоляции"/ Киев, ноябрь, 1980/.- Л., 1980, с.71-75.

65. Сквирская И.И., Сотников В.Г., Ушаков В.Я. Влияние частоты воздействия импульсного напряжения на время до пробоя полиэтилена.- Электричество, 1982, .№ 3, с.49-50.

66. Бородин С.В., Бажов В.Ф., Телятников В.П. Определение вольтсекундных характеристик твердых полимерных диэлектриков.-В сб.: Техника высоких напряжений и электрическая прочность изоляции.- Томск, 1977, с.20-27.

67. Patsch К<ипеъ . On tlu. qiowih zatt of ite.es in. pofyrrwth r 3zct. tyrnp. High. Volt Eng., Milan, -31 Aug. {979, V.i., Mito.no, S.a~£l/tf/4.

68. Bahd&i Sanity Т., Sosnowski M. Rhysicat modei of tfactuc Qfriny and btzakdown. of extruded pofymwvc insu.ia.ted fbwvi СаМяь.- ЗЕЕЕ Тг*т>. /W. Appan. and Stpi., (9fcfAS- toi, A/6, pJ5?e iseo.

69. Братин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля.-М.-Л.: Госэнергоиздат, I960, 328 с.

70. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Корицкого Ю.В. и др.- М.: Энергия, изд.2-е перераб., 1974, т.1, 584 с.

71. Месячников В.Г. Исследование электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей на напряжении промышленной частоты.- В сб.: Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция.- М.: Энергия, 1970, с.332-336.

72. Варшавский Д.С., Забашта И.Г. Об электрическом старении бумажно-пленочного конденсаторного диэлектрика на переменном напряжении.- В сб.: Материалы Всесоюзн.конф. Физика диэлектриков и перспективы ее развития.- Л.: 1973, т.II, с.241-243.

73. Сквирская И.И. Влияние технологических параметров на срок службы полиэтиленовой изоляции.- Канд.дисс.- Томск, 1975, с.140.

74. Кулакова Р.В. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 96 с.

75. Лапшин В.А. Статистические закономерности срока службы импульсных кабелей с полиэтиленовой изоляцией.- Канд.дисс.- Л., 1975, 274 с.

76. Пильщиков В.Е. Исследование методов повышения сроков службы и надежности высоковольтных импульсных кабелей с полиэтиленовой изоляцией.- Канд.дисс.- Л., 1978, 317 с.

77. А.с. 789667 (СССР). Способ неразрушающего контроля изделий /И. А. Бекешко.- Опубл. БИ № 44, 30.И.80; приор. 02.02.79.

78. А.с. 890204 (СССР). Способ тепловой дефектоскопии изделий из диэлектрических материалов /В.А.Дятлов.- Опубл. БИ № 46, 15.12.81; приор.28.04.80.

79. А.с. 913242 (СССР). Способ определения местонахождения дефекта / В.Ф.Змитрук, В.Л.Сорокин.- Опубл. БИ № 10, 15.03.82; приор. 28.12.79.

80. Вавилов В.П., Горбунов В.И., Епифанцев Б.Н. Двумерная задача тепловой дефектоскопии при конвективном теплообмене изделия с окружающей средой.- Дефектоскопия, 2, 1975, с.41-47.

81. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математическойфизики.- Изд.4-е, исп., М.: Наука, 1972, 735 с.

82. Пивень А.Н., Гречаная Н.А., Чернобыльский И.И. Тепло-физические свойства полимерных материалов.- Киев: Вища школа, 1976, 180 с.

83. Темкин А.Г. Обратные методы теплопроводности.- М.: Энергия, 1973, 464 с.