Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 34 -

Capitolul 3

STUDIUL DESCRCARII PARIALE

N TRANSFORMATOARE DE MSUR DE NALT TENSIUNE

Calitatea izolaiei unui transformator de nalt tensiune este esenial pentru

funcionarea ndelungat n diferite condiii de exploatare. Materialele electroizolante folosite

pentru fabricarea echipamentelor electrice se realizeaz uneori cu mici imperfeciuni locale,

constnd in vacuole sau incluziuni gazoase (n izolaiile solide), bule de gaz (n dielectrici

lichizi) i particule metalice sau nemetalice.

n exploatare sau n timpul testelor, la o anumit amplitudine a cmpului electric, apar

descrcri electrice locale i nedisruptive, limitate la o poriune restrns a dielectricului,

respectiv n interiorul defectelor descrise mai sus. Aceste descrcri electrice sunt denumite n

literatura de specialitate descrcri pariale (DP), acestea se manifest prin impulsuri de curent

n dielectric i circuitul exterior acestuia impulsuri care angreneaz mici cantiti de energie ce

conduc n timp la degradarea progresiv a proprietilor materialului (fig. 3.1). Permitivitatea

dielectric a gazului din interiorul defectului, fiind mai mic dect aceea a materialului

nconjurtor, n spaiul defectului, va rezulta un cmp electric cu intensitate mai mare dect n

materialul electroizolant nvecinat. Dei rigiditatea dielectric a gazelor crete sensibil cu

micorarea grosimii stratului, intensitatea cmpului electric atinge adesea valori care duc la

strpungerea spaiului vacuolei. Aceste fenomene de strpungere parial nu se rspndesc prin

toat izolaia, ci se localizeaz la nivelul defectelor existente [13].

Fig 3.1 Canal arborescent format de descrcrile pariale ntr-un dielectric solid [19]

Descrcare electric este fenomenul de strpungere, care se manifest prin crearea unei

puni conductoare ntr-un mediu dielectric aflat n cmp electric [13].

Descrcarea parial este o descrcare electric localizat care unete parial izolaia

aflat ntre conductori care poate avea sau nu loc n apropierea unui conductor [15];

sau mai poate fi definit astfel:

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 35 -

Descrcarea parial reprezint descrcarea electric localizat ntr-un mediu dielectric,

pe o poriune redus, n solide, lichide sau gaze, datorat intensitii cmpului electric [16].

Dei strpungerile din vacuole nu conduc imediat la scurtcircuitarea dielectricului,

fenomenul DP deterioreaz pereii spaiului respectiv, conducnd n cele din urm la cedarea

izolaiei. Fiecare descrcare disip o mic cantitate de energie, care va fi localizat n interiorul

cavitii prezente n izolaie. Aceast energie se rspndete n toate direciile sub form de

cldur, lumin i sunet. Caracteristica principal a unui eveniment DP este sarcina aparent,

proporional cu mrimea sarcinii unipolare ce particip la descrcarea parial din sistemul de

izolaie studiat.

Descrcarea parial n dielectrici se caracterizeaz prin urmtoarele particulariti [13]:

sarcina transferat foarte redus (de ordinul pC-lor)

durata impulsurilor de descrcare foarte mic ( 69 10...10 s)

descrcarea nu se produce n ntreg volumul cavitii, ci parial;

n cazul cmpurilor neuniforme dar i al celor uniforme, traseul DP nu este identic cu

acela al liniilor de cmp electric care le produce;

n aceste condiii, DP constituie o surs de perturbaii radio, efecte luminoase,

perturbaii n circuitul de putere prin impulsurile generate, pierderi n dielectrici i efecte

acustice. Natura repetitiv a DP poate provoca deteriorri ale izolaiei, dac se produc la

tensiunea de lucru a transformatorului electric de msur, ceea ce practic nseamn o scurtare a

timpului de via pentru echipamentul electric care prezint asemenea defecte.

Monitorizarea DP se realizeaz pentru obinerea informaiilor legate de calitate izolaiei

electrice a echipamentelor, informaii ce pot fi folosite la aproximarea duratei de via. La ora

actual nu exist standarde recunoscute internaional pentru msurarea on-line a descrcrilor

pariale n transformatoare electrice de msur prin metoda acustic, fiind n curs de cercetare

[14].

3.1 Clasificarea descrcrilor pariale Fenomenul DP este clasificat n dou categorii [13]:

A. Descrcri pariale externe, ce au loc n afara echipamentelor electrice;

I. Descrcarea corona: Acest tip de fenomen DP are loc datorit cmpului electric

neuniform produs n jurul punctelor de curbur mic ale unui conductor aflat sub

nalt tensiune. Izolaia n care se produce descrcarea corona este de tip gazoas

sau lichid, acionnd asupra conductoarelor pentru o perioad ndelungat de timp.

Descrcarea corona nu atac direct izolaia precum descrcarea superficial sau

interna ci prin aciunea indirect a stratului de ozon format n urma descrcrii.

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 36 -

II. Descrcarea superficial: Fenomenul descrcrii pariale de suprafa se produce la

interfaa dintre dou materiale dielectrice diferite, gaz/solid, acionnd distructiv

asupra materialului solid. Poate avea loc la izolatoarele de trecere, terminaiile

cablurilor sau n orice punct pe suprafaa izolatorului aflat ntre electrozi (borna de

nalt tensiune i pmntare). Prezenta descrcrii superficiale la echipamentele de

nalt tensiune este influenat de urmtorii factori:

Permitivitatea materialului dielectric folosit (tabelul 3.1);

Distribuia tensiunii electrice ntre conductoare;

Proprietile mediului izolant unde au loc DP;

B. Descrcri pariale interne, se produc n interiorul echipamentului;

I. Descrcarea arborescent: Apare n locul unde exist o proeminen la un electrod,

fie se pot dezvolta din interiorul unei caviti, este produs un cmp electric de mare

intensitate ce conduce la deteriorarea materialului dielectric prin formarea de canale

arborescente.

II. Descrcarea parial n caviti: Aceste caviti (vacuole) se gsesc n general n

izolaii solide sau lichide, fiind pline cu aer. La aciunea cmpului electric i

datorit diferenei de permitivitate dielectric va aprea descrcarea parial.

Cele patru tipuri de descrcri electrice sunt reprezentate n figura 3.2.

Fig. 3.2 Tipuri de descrcri pariale, (a) descrcare corona, (b) descrcare

superficial, (c) descrcare arborescent, (d) descrcare parial n caviti

3.2 Metode de detecie a descrcrilor pariale Pentru detecia descrcrilor pariale sunt folosite multiple metode, unele sunt bazate pe

detecia fenomenului electric pe cnd celelalte urmresc detecia fenomenelor nonelectrice.

Metodele de detecie DP recunoscute n lucrrile de specialitate i amplu studiate la ora actual

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 37 -

Fibr optic cu lentil

Fibr optic Lentil

Scnteie

Ulei izolator Aria de observare

Fibr optic fluorescent

F.O. convenional Scnteie

F.O. fluorescent

Plac

sunt: metoda optic de detecie, metoda acustic de detecie, metoda chimic de detecie, metoda

electric de detecie.

I. Metoda optic pentru detecia descrcrilor pariale

Metoda optic de detecie (fig. 3.5) se bazeaz pe disipaia luminii sub forma ionizrii n

timpul procesului de apariie al descrcrii pariale. Emisia de lumin este dependent de mediul

izolator i de ali parametri precum temperatura i presiunea. Metoda este aplicabil pentru

materiale izolatoare transparente. Implementarea metodei la transformatoarele de nalt tensiune

este dificil datorit naturii opace a uleiului mineral.

Fig. 3.3 Principiul deteciei descrcrilor pariale prin metoda optic [17]

II. Metoda acustic pentru detecia descrcrilor pariale

n metoda acustic de detecie a descrcrilor pariale, senzori acustici (transductori

piezoelectrici) sunt plasai pe suprafaa exterioar (fig 3.4) a echipamentului electric. Metoda se

bazeaz pe detecia semnalului acustic ce se propag n urma unei descrcri, prin filtrarea i

procesarea semnalului se pot extrage date importante pentru caracterizarea fenomenului DP.

Metoda prezint numeroase avantaje fa de celelalte metode de detecie fiind neafectat de

interferenele electromagnetice, ns dificil datorit mediului neomogen n care se propag unda

acustic i este limitat de sensibilitatea transductorului. Metoda acustic este folosit pe scar

larg n detecia diferitelor tipuri de DP i localizarea punctului cu activitate DP intens n

izolaia transformatoarelor de nalt tensiune.

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 38 -

Fig. 3.4 Principiul deteciei descrcrilor pariale prin metoda acustic [17]

III. Metoda chimic pentru detecia descrcrilor pariale n metoda chimic, descrcrile pariale sunt detectate prin observarea schimbrilor n

compoziia chimic (tab. 3.1) a uleiului izolant folosit n transformatoare. n aceast metod

analiza gazelor dizolvate (DGA) i cromatografia de nalt performant a uleiului sunt folosite

pentru diagnoza descrcrilor pariale. Analiza gazelor dizolvate ofer informaii cu privire la

volumul de gaz produs ce este strns legat de fenomenul DP. Metoda chimic nu ofer informaii

despre caracteristicile sau locaia DP. Folosind instrumente de analiz complexe a compoziiei

uleiului, metoda poate fi utilizat n monitorizarea online.

Tab. 3.1 Analiza gazelor dizolvate pentru un transformator cu 350m de ulei [18] Element Normal

[ppm/zi]

Critic

[ppm/zi]

2H < 0.1 > 2

4CH 0.05 6

22HC 0.05 6

42HC 0.05 6

62HC 0.05 1

CO 2 10

2CO 6 20

IV. Metoda electric de detecie a descrcrilor pariale

Detecia electric a descrcrilor pariale este cea mai folosit metod n echipamentele

de nalt tensiune, oferind posibilitatea de msurarea a impulsurilor. Metoda este aplicabil

pentru monitorizarea on-line, avnd un grad mare de sensibilitate. Detecia electric se centreaz

pe capturarea pulsului electric creat n micile caviti din izolaie. Durata pulsului este de ordinul

nanosecundelor iar frecvena acestuia are componente ce ating 1 MHz. Msurtorile electrice

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 39 -

sunt mprite n dou grupe, msurtori directe i msurtori de emisie RF. Metoda direct (fig.

3.5) presupune folosirea unui condensator pentru cuplarea la circuitul terminal al

transformatorului i permite msurarea sarcinii pariale. Caracteristicile pulsului sunt puternic

influenate de geometria transformatorului iar interferenele electromagnetice fac dificil detecia

corect a descrcrilor pariale. Totui metoda este folosit n lumea ntreag n domeniul

energetic pentru informaiile furnizate.

Fig. 3.5 Circuitul pentru msurare descrcrilor pariale prin metoda electric [15]

unde:

~U surs de nalt tensiune

miZ impedana de intrare a circuitului de msur

CC cablu conector

aC element testat

kC condensator de cuplare

CD dispozitiv de cuplare

MI instrument de msur

Z filtru

3.3 Caracteristicile impulsurilor descrcrii pariale Conform clasificrii, descrcarea parial ntr-o cavitate a dielectricului solid este o

descrcarea cu autostingere pentru c sarcina suprafeei sau spaiului, produs n timpul

descrcrii, se acumuleaz n general la locul descrcrii i reduce mrimea cmpului electric

local un nivel insuficient pentru a susine descrcarea. Din aceast cauz fenomenul DP are un

caracter pulsatoriu, impulsurile avnd un caracter stocastic complex [13].

De fiecare dac cnd o descrcare parial are loc ntr-o cavitate, o sarcin electric este

transferat dintr-o parte n cealalt parte a cavitii pn ce diferena de potenial dintre pereii

cavitii este prea mic pentru a ntreine descrcarea.

Impulsul standardizat DP (fig. 3.6) are o perioad de cretere 1T pn la 60 ns i un timp

exponenial de descretere 2T la jumtatea amplitudinii maxime, de aproximativ 120 ns.

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 40 -

Fig. 3.6 Forma standardizat a impulsului DP [3.11]

n figura 3.9 linia punctat ( cV ) reprezint tensiunea electric de-a lungul cavitii dac

descrcarea parial nu are loc, odat cu creterea tensiunii cV pn la valoarea V are loc o

descrcare parial. Aceasta conduce la scdere tensiunii cV i stingerea descrcrii, acum

fenomenul se repet pe alternana negativ a tensiunii la atingerea punctului V , n acest fel

descrcrile pariale dau natere la pulsuri de curent ( i ) negative i pozitive defazate fa de

tensiunea aV de la bornele echipamentului.

Fig. 3.6 Forma impulsurilor de curent [20]

Atunci cnd un echipament electric ce prezint activitate DP, fiind supus unei tensiuni

nalte se poate observa c activitatea DP ncepe s se manifeste de la un anumit nivel al

tensiunii, iar odat nceput trebuie redus tensiunea nainte de strpungerea izolaiei, pn ce

fenomenul dispare. Aceste nivele de tensiune se numesc tensiune de amorsare ( V , V ) i

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 41 -

tensiune de stingere. Se poate observa n figura de mai sus natura repetitiv a descrcrii pariale.

Odat atins tensiunea de amorsare, frecvena descrcrii pariale va crete n timp ce tensiunea

electric se apropie de limit de stingere.

3.4 Determinarea sarcinii aparente Descrcarea parial (DP), are loc n interiorul dielectricilor ce prezint defecte

constructive. Ea difer de fat de alte descrcri electrice prin caracterul unipolar. Fenomenul DP

se manifest n punctul cel mai slab al izolaiei (n caviti sau n locul contaminat cu impuriti)

prin aciunea unui cmp electric puternic n apropierea unei muchii ascuite a electrodului.

Descrcrile pariale pot avea valoarea sarcinii aparente cuprins ntre 01.0 pC pn la 610 pC. Analiza sarcinii aparente este important pentru a stabili msurile corective ce trebuie

luate. Nivelul normal de apariie a descrcrilor pariale este caracterizat de valori cuprinse ntre

10010 pC, acesta are un impact redus asupra izolaiei dar influeneaz durata de viat a

echipamentului. Un nivel al sarcinii pariale considerat sigur este de 50 pC pentru izolaia solid.

Nivelul critic apare dup pragul de 1000 pC, n aceast faz izolaia se afl ntr-un proces intens

de degradare. Valori cuprinse ntre 100001000 pC afecteaz considerabil dac aciunea

fenomenului dureaz pn la 10 ore lsnd urme de carbonizare n izolaie.

Modelul unei izolaii electrice cu aciune DP, prezent n figura 3.10 poate fi construit

prin folosirea a doi condensatori conectai n serie.

Fig. 3.10 Modelul izolaiei cu defect interior [3.10]

unde:

)(tU P tensiunea electric pe izolator

D diametrul defectului

S distana pn la electrod

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 42 -

DIC capacitatea defectului

idC capacitatea izolaiei solide nseriat cu defectul

iC capacitatea izolaiei lateral defectului

kU tensiunea de amorsare

Defectul este reprezentat de capacitatea DIC iar izolaia solid prin condensatorul idC . La

alimentarea schemei echivalente cu tensiune alternativ )(tU P , condensatorul DIC se va ncrca

cu sarcina q. La momentul acumulrii unei tensiuni suficiente condensatorul DIC se descarc, iar

dac acesta continu s primeasc energie descrcarea parial va avea un caracter repetitiv.

Valoarea capacitilor din schema echivalent este calculat mai jos [3.10]:

2DCDI , (3.1)

4

11

2 nnDC

id , (3.2)

unde 2ln2sD

, D diametrul, dependena capacitilor n funcie de mrimea

defectului fiind reprezentat n figura 3.11.

Fig. 3.11 Variaia capacitii izolatorului solid i a defectului n funcie

de mrimea defectului [3.10]

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 43 -

Tab. 3.1 Rigiditatea dielectric pentru diferite materiale [20] Material Permitivitatea

relativ

Tensiunea de

stpungere ][ 1KVmm

Aer (la presiunea atmosferic) 1.0006 3

Ulei de transformator 2.2 28

Polietilen 2.3 24

Poliuretan 4.0 10

Hrtie 3.0 9

Mic 6.0 42

Rin 4.7 12

Tensiunea de amorsare a descrcrii pariale se calculeaz cu relaia urmtoare

0DEU k , (3.3)

0E fiind cmpul electric iniial n condiii atmosferice normale

factorul de corecie de presiune i temperatur ce se calculeaz astfel

T

p

273

293760

, (3.4)

p presiunea atmosferic, mm Hg

T temperatura n C

Tensiunea ce se descarc din condensatorul echivalent defectului este

)()( tUCC

CtU pidDI

idDI

, (3.5)

La atingerea tensiunii DIU necesare iniieri descrcrii kU are loc descrcare.

n timpul procesului de ncrcare descrcare, apar salturi de curent ce pot fi calculate cu

relaiile (3.6), (3.7)

t

dmd eIti)( , (3.6)

DIid

dmUCI , (3.7)

curentul de descrcrii fiind proporional cu sarcina aparent.

durata medie a impulsului de curent DP ( s 3.001.0 ).

Sarcina aparent a descrcrii pariale poate fi calculat pentru modelul izolaiei

prezentat cu urmtoarea relaie

idDI CUq ; (3.8)

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 44 -

Sarcina aparent nu este egal cu sarcina real vehiculat de descrcare n spaiul

defectului, care nu poate fi msurat, ns din circuitul echivalent se poate obine sarcina

aparent reflectat de descrcare n circuitul exterior [13].

3.5 Parametrii descrcrii pariale Din punct de vederea al desfurrii n timp, parametri specifici DP ridicai cu ajutorul

metodei electrice se clasific n trei grupe [13]:

- parametri individuali, observai pe durata unei perioade a tensiunii de ncercare;

- parametri globali, obinui prin prelucrarea parametrilor individuali, prin msurarea pe

durata mai multor perioade ale tensiunii de ncercare;

- indicatori statistici, folosii pentru analiza statistic a parametrilor globali obinui;

Parametri individuali

Aceti parametri reprezint valorile la un anumit moment de timp n raport cu tensiunea

aplicat i semnalul de descrcare nregistrat. Astfel activitatea electric a DP se pune n

eviden prin dou mrimi independente unice:

- amplitudinea descrcrii sau sarcina aparent q;

- momentul descrcrii sau unghiul de faz , care indic poziia impulsului DP n rapot

cu unda fundamental a tensiunii de ncercare;

pe lng aceti parametri mai exist i urmtoarele mrimi caracteristice ale impulsurilor

individuale ce au loc pe durata unei semialternane:

- numrul de impulsuri de descrcare qN ;

- valoarea medie a impulsurilor, medq ;

- amplitudinea maxim a impulsurilor, maxq ;

- energia maxim a DP, maxW ;

- energia medie a DP, medW ;

- sarcina total de descrcare, j

jqQ ;

- energia total a descrcrii, j

jwW ;

Parametri globali

Se determin pe baza nregistrrii mrimilor instantanee specifice impulsurilor DP pe o

durat ndelungat (mai mult de 100 de cicluri ale tensiunii )(tU P ), analiza se face n

funcie de dou variabile: timpul i unghiul de faz.

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 45 -

- sarcina total a impulsurilor de descrcare:

ji qq ; - numrul de impulsuri DP:

jn ; - valoarea medie a sarcinii de descrcare:

nqq in ;

- amplitudinea maxim a sarcinii de descrcare

}max{ jM qq ;

Indicatori statistici

O evaluare mai bun a DP din defectele dielectricului se poate face folosind indicatorii

statistici, avnd n vedere caracterul stocastic al fenomenului. Prezint interes doi

indicatori statistici pentru caracterizarea distribuiilor de impulsuri DP:

- factorul de asimetrie:

3

3)(

iiaspmx

K ,

care reprezint gradul de abatere al variabilei ix de la distribuia normal pentru care 0asK ;

- factorul de concentrare:

3)(

4

4

iic

pmxK ,

reprezint gradul de concentrare al valorilor lui ix n jurul mediei m, n comparaie cu distribuia

normal pentru care 0cK ;

3.6 Efectele descrcrii pariale n diferite medii izolante

ntr-un test normal la tensiune alternativ, ciclurile DP au loc de mai multe ori att pe

alternana pozitiv ct i pe cea negativ. n exploatare, dac acest fenomen apare cu o

amplitudine suficient de mare, mini descrcrile electrice vor compromite calitatea izolaiei.

Acest lucru se realizeaz prin formarea de canale arborescente n dielectric, fenomenul numindu-

se eroziune de degradare, fiind de dou tipuri:

La o solicitare electric normal, descrcarea parial de suprafa i descrcarea

parial intern conduc la degradarea progresiv a izolaiei i eventual la cedarea

acesteia prin formarea unui canal arborescent n izolaie iar la o solicitare electric

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 46 -

foarte mare acest canal cauzeaz strpungerea izolatorului imediat ce tensiunea

corespunztoare este aplicat;

Descrcarea de suprafa mai poate fi de asemenea cauzat de umezeal sau

contaminarea izolaiei conducnd n timp la deteriorarea izolatorului;

Fig. 3.12 Efectul descrcrilor arborescente n hrtie izolatoare [14]

Mecanismul DP ce produce degradarea dielectricului se bazeaz pe dou procese,

procesul chimic i procesul fizic. Interaciunea ntre descrcrile pariale din cavitatea existent

i dielectricul din zona apropiat este complex, fiind identificate i studiate mai multe efecte,

reprezentate n figura 3.13.

Un efect important este mbtrnirea dielectricului datorit activitii DP iar n acelai timp

mecanismul de formare al DP este influenat de mbtrnirea dielectricului.

n cadrul acestui proces de mbtrnire au loc urmtoarele transformri:

Conductivitate pereilor cavitii crete datorit procesului de umidificare i disociere

a diverilor produi prezeni n gazul ce umple cavitatea.

n etapa urmtoare crete rugozitate suprafeei datorit bombardamentului purttorilor

de sarcin i depunerii de produi ai DP.

Activitatea DP urmtoare conduce la formarea de compui solizi sub form de cristale

Creterea intensitii cmpului electric n aceste zone determin formarea unor mici

adncituri n suprafaa cavitii, iniiindu-se o structur arborescent.

Eventual aceste canale arborescente formate n izolaie, pot conduce la strpungerea

izolaiei prin zona cea mai degradat.

Nicolae TUIU http://www.descarcari-partiale.webs.com

- 47 -

Fig. 3.13 Etapele degradrii unui dielectric solid sub aciunea descrcrilor pariale [14]

Descrcarea parial a fost observat ca fenomen ce apare n dielectrici supui la nalt

tensiune nc din secolul trecut. Domeniul a ajuns n atenia studiilor academice ncepnd cu anul

1930, cnd efectul de degradare a izolatorilor de nalt tensiune a devenit o problem important.

Primele studii foloseau detecia ultrasonic pentru a stabilii nivelul de descrcri pariale n ulei.

ncepnd cu anul 1950, studiile teoretice i practice conduse de John Mason demonstrau cum

descrcrile pariale conduc la procesul de strpungere a izolaiei prin formarea de canale

arborescente n materialul dintre electrozi [20].

Din ani 60 i pn n prezent, fenomenul DP a fost intens studiat din punct de vedere al

fizicii procesului, efectului asupra izolaiei, metodelor de msur i monitorizare.