Generátory

Podstata a fyzikální mechanismus částečných výbojů

Částečné výboje (v anglické literatuře označované jako partial discharges – PD) představují lokální elektrické průrazy, které přemosťují pouze část izolačního systému v místě s rozdílným elektrickým potenciálem . Důležitým poznatkem je, částečné výboje nevznikají samovolně, ale jsou důsledkem dlouhodobého kombinovaného namáhání izolace – především vlivem tepelných, elektrických, ambientních a mechanických faktorů (akronym TEAM). Tyto vlivy způsobují v dielektriku nehomogenity, jako jsou např. mikroskopické dutiny vyplněné plynem. Protože má plyn v dutině nižší permitivitu než okolní pevnou izolace, dochází v tomto místě ke zvýšené koncentraci elektrického pole. S rostoucím střídavým napětím se na stěnách dutiny postupně hromadí elektrický návoj. Jakmile intenzita elektrického pole uvnitř plynného prostoru překročí kritickou hodnotu stanovenou Paschenovým zákonem,který popisuje závislost zápalného napětí (napětí při kterém dochází k přeskoku) na tlaku plynu a vzdálenosti elektrod, dojde k mžikové ionizaci plynu a k přeskoku – částečnému výboji.

Přestože je energie samotného výboje nepatrná a jeho trvání dosahuje pouze řádu nanosekund až mikrosekund, jde o děj s vysokou četností opakování . Skutečný náboj přenesený uvnitř dutiny je pro měřicí přístroje fyzikálně Nedostupný, proto v diagnostice vyhodnocujeme tzv. zdánlivý náboj q(v pikoCoulombech, pC), který odpovídá uvolněné energii a vyvolá na svorkách zařízení stejnou odezvu. Pokud v izolaci dochází k tisícům takových výbojů za sekundu, materiál postupně a nevratně degraduje . Dlouhodobé působení výbojů vede ke vzniku chemické eroze, mikroskopických dutin a vodivých kanálků, které dielektrikum oslabují tak zásadně, že mohou vyústit až v celkovou havárii stroje .

Princip měření částečných výbojů

K detekci částečných výbojů využívá moderní diagnostika celou škálu průvodních jevů. Metody měření dělíme podle fyzikálního charakteru na elektrické (vysokofrekvenční proudové impulsy, elektromagnetické pole) a neelektrické (akustické emise, světelné záření, teplo či chemické zplodiny). Z hlediska rozsahu se rozlišují metody na globální a lokální, případně podle provozního režimu na offline (zařízení je odstaveno a napájeno ze zkušebního zdroje) a online (měření přímo za běžného provozu).

V naší praxi se specializujeme na nejpřesnější a nejrozšířenější elektrickou metodu tzv. globální galvanickou metodu. Jejím základem je přímé zachytávání vysokofrekvenčních proudových impulsů v obvodu tvořeném měřeným objektem, vazebním kondenzátorem a měřicí impedancí.

Klíčovou roli hraje vazební kondenzátor , který musí vykazovat vysokou kapacitu, minimální vlastní indukčnost a sám nesmí generovat žádnou výbojovou činnost. Pro nízký kmitočet síťového napětí (50-60 Hz) představuje vysoký odpor (izoluje přístroje od vysokého napětí), zatímco pro velmi rychlé impulsy částečných výbojů v řádu megahertzů funguje jako cesta s minimálním odporem. Tyto impulsy procházejí do měřicí impedance Zm (frekvenčně citlivý čtyřpól tvořený rezistorem, rezonančním obvodem či kombinací R-C), která je převádí na přesně naměřitelné napěťové pulzy. 

Vzniklé napěťové pulzy jsou následně přivedeny do diagnostického přístroje, který je digitalizuje, odfiltruje od okolního elektromagnetického rušení a synchronizuje s průběhem fázového napětí (50-60 Hz). Zpracováním těchto signálů vzniká fázově rozlišený diagram částečných výbojů (v anglické literatuře označovaný jako PRPD – Phase-Resolved Partial Discharge).Vedle okamžité identifikace typu výboje přístroj zároveň kontinuálně zaznamenává i vývojové trendy klíčových parametrů v čase, což umožňuje včas zachytit zhoršující se stav izolačního systému.

Vyhodnocení částečných výbojů

Typické příklady částečných výbojů

Částečné výboje mohou vznikat v různých místech a za různých podmínek v závislosti na konstrukci a stavu izolačního systému. Nejčastěji se částečné výboje dělí podle místa vzniku. Rozdělují se tedy na vnitřní výboje, vznikající uvnitř izolačního materiálu, povrchové výboje, vznikající na rozhraní izolace a okolního prostředí, a vnější výboje, které se vyskytují v okolí elektrod a mimo vlastní objem izolačního materiálu. Vzhledem k široké škále možných typů a kombinací částečných výbojů, z nichž každý může vykazovat specifický PRPD obrazec, budou dále uvedeny a popsány pouze vybrané případy relevantní k danému tématu.

Stromečkování
Elektrické stromečkování představuje jeden z nejnebezpečnějších vnitřních výbojů v pevných dielektrikách, který přímo předchází destruktivnímu průrazu hlavní izolace. Tento proces začíná v místech lokálního soustředění elektrického pole – typicky v mikro-dutinkách, nečistotách nebo mechanických prasklinách vytvořených dlouhodobým tepelným a mechanickým namáháním. Opakovaná výbojová činnost postupně odpařuje a rozkládá okolní izolační materiál, čímž vypaluje jemné, rozvětvené dutinové kanálky připomínající větvoví stromu. S postupem stromečkování dochází k trvalému zkracování izolační dráhy mezi vodičem a zemí.

Drážkové výboje
Drážkové výboje představují závažný degradativní mechanismus, k němuž dochází v mezeře mezi vysokonapěťovou cívkou a uzemněným jádrem elektroplechu statorové drážky. Primární příčinou jejich vzniku je ztráta těsného kontaktu cívky s železem – typicky vlivem cyklického tepelného rozpínání, mechanických vibrací nebo eroze vnějšího polovodivého laku (ochrany proti drážkovým výbojům). V uvolněné mezeře dochází ke vzniku intenzivního elektrického pole a následně k elektrickým přeskokům, které postupně obrušují povrch cívky a ničí vnější izolační vrstvy. V PRPD diagramu vytvářejí drážkové výboje velmi charakteristický, vysoce asymetrický vzor (často s výraznějším nábojem v jedné půlvlně napětí), 

Systémové řešení

Pro měření a analýzu částečných výbojů využíváme špičkový diagnostický systém UDL-8000 od švýcarské společnosti Sparks Instruments. Tento kompaktní a vysoce modulární přístroj je navržen jak pro periodické off-line zkoušky, tak především pro nepřetržitý on-line monitoring vysokonapěťových zařízení přímo za provozu.

Systém plně odpovídá přísným požadavkům mezinárodních diagnostických standardů, zejména normám IEC 60270 (ČSN EN 60270) pro konvenční měření částečných výbojů a normám IEC 60034-27-1 a IEC 60034-27-2 pro off-line i on-line diagnostiku točivých vysokonapěťových strojů.

Sparks Instruments nabízí systém UDL-8000 v několika specializovaných konfiguracích (např. PDBAS, PD+ nebo PDSIM). Vedle standardní tvorby fázově rozlišených PRPD diagramů umožňuje systém také pokročilé sledování dlouhodobých trendů – především vývoje zdánlivého náboje q a četnosti impulsů v čase. Díky tomu dokážeme včas zachytit i velmi pozvolnou degradaci izolačního systému a přeorientovat údržbu na cílenou diagnostiku podle skutečného technického stavu zařízení.