В электротехнике древообразование — это электрическое явление, предшествующее пробою в твердой изоляции . Это разрушительный процесс, вызванный частичными разрядами , который распространяется через напряженную диэлектрическую изоляцию по траектории, напоминающей ветви дерева . Древообразование твердой высоковольтной изоляции кабеля — это распространенный механизм пробоя и источник электрических неисправностей в подземных силовых кабелях.
Электрическое древообразование впервые происходит и распространяется, когда сухой диэлектрический материал подвергается высокому и расходящемуся напряжению электрического поля в течение длительного периода времени. Электрическое древообразование, как наблюдается, возникает в точках, где примеси, газовые пустоты, механические дефекты или проводящие выступы вызывают чрезмерное напряжение электрического поля в небольших областях диэлектрика. Это может ионизировать газы в пустотах внутри объемного диэлектрика, создавая небольшие электрические разряды между стенками пустоты. Примесь или дефект могут даже привести к частичному пробою самого твердого диэлектрика. Ультрафиолетовый свет и озон из этих частичных разрядов (ЧР) затем реагируют с близлежащим диэлектриком, разлагая и еще больше ухудшая его изолирующую способность. Газы часто высвобождаются по мере разрушения диэлектрика, создавая новые пустоты и трещины. Эти дефекты еще больше ослабляют диэлектрическую прочность материала, усиливают электрическое напряжение и ускоряют процесс ЧР.
В присутствии воды в полиэтиленовом диэлектрике, используемом в подземных или погруженных в воду кабелях высокого напряжения, может образовываться диффузная, частично проводящая 3D-структура в виде шлейфа, называемая водным деревом . Известно, что шлейф состоит из плотной сети чрезвычайно мелких заполненных водой каналов, которые определяются собственной кристаллической структурой полимера. Отдельные каналы крайне трудно увидеть с помощью оптического увеличения, поэтому для их изучения обычно требуется использование сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).
Водяные деревья начинаются как микроскопическая область около дефекта. Затем они растут под постоянным присутствием сильного электрического поля и воды. Водяные деревья могут в конечном итоге вырасти до точки, где они соединяют внешний слой заземления с центральным высоковольтным проводником, и в этот момент напряжение перераспределяется по изоляции. Водяные деревья, как правило, не являются проблемой надежности, если они не способны инициировать электрическое дерево.
Другой тип древовидной структуры, который может образовываться с присутствием воды или без него, называется электрическим деревом . Он также образуется внутри полиэтиленового диэлектрика (а также многих других твердых диэлектриков). Электрические деревья также возникают, когда объемные или поверхностные усиления напряжения инициируют пробой диэлектрика в небольшой области изоляции. Это навсегда повреждает изоляционный материал в этой области. Затем происходит дальнейший рост деревьев в виде дополнительных небольших событий электрического пробоя (называемых частичными разрядами ). Рост электрических деревьев может быть ускорен быстрыми изменениями напряжения, такими как операции переключения коммунальных служб. Кроме того, кабели, инжектированные постоянным током высокого напряжения, также могут со временем образовывать электрические деревья, поскольку электрические заряды мигрируют в диэлектрик, ближайший к высоковольтному проводнику. Область инжектированного заряда (называемая пространственным зарядом ) усиливает электрическое поле в диэлектрике, стимулируя дальнейшее усиление напряжения и инициирование электрических деревьев как места уже существующих усилений напряжения. Поскольку само электрическое дерево обычно является частично проводящим, его присутствие также увеличивает электрическое напряжение в области между деревом и противоположным проводником.
В отличие от водных деревьев, отдельные каналы электрических деревьев больше и их легче заметить. [1] [2] Образование деревьев было долгосрочным механизмом отказа для закопанных полимерных изолированных высоковольтных силовых кабелей, впервые описанным в 1969 году. [3] Аналогичным образом, двумерные деревья могут возникать вдоль поверхности сильно напряженного диэлектрика или по всей поверхности диэлектрика, загрязненного пылью или минеральными солями. Со временем эти частично проводящие следы могут разрастаться, пока не приведут к полному отказу диэлектрика. Электрическое трекинг, иногда называемое сухим полосчатым образованием , является типичным механизмом отказа для электрических силовых изоляторов, которые подвергаются загрязнению солевым туманом вдоль береговых линий. Разветвленные двумерные и трехмерные узоры иногда называют фигурами Лихтенберга .
Электрические деревья или «фигуры Лихтенберга» также возникают в высоковольтном оборудовании непосредственно перед поломкой. Отслеживание этих фигур Лихтенберга в изоляции во время посмертного исследования сломанной изоляции может быть наиболее полезным для поиска причины поломки. Опытный инженер по высоким напряжениям может увидеть по направлению и типу деревьев и их ветвей, где находилась основная причина поломки, и, возможно, найти причину. Сломанные трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование могут быть с пользой исследованы таким образом; изоляция разворачивается (в случае бумажной изоляции) или нарезается тонкими ломтиками (в случае систем твердой изоляции), результаты зарисовываются и фотографируются и образуют полезный архив процесса поломки.
Электрические деревья могут быть далее классифицированы в зависимости от различных моделей деревьев. Они включают дендриты, тип ветвей, тип кустов, шипы, струны, бабочки и вентилируемые деревья. Два наиболее часто встречающихся типа деревьев — это бабочки и вентилируемые деревья. [4]
Электрические деревья можно обнаружить и локализовать с помощью измерения частичных разрядов .
Поскольку значения измерений этого метода не допускают абсолютной интерпретации, данные, собранные во время процедуры, сравниваются со значениями измерений того же кабеля, собранными во время испытания. Это позволяет просто и быстро классифицировать диэлектрическое состояние (новое, сильно состаренное, неисправное) испытываемого кабеля.
Для измерения уровня частичных разрядов может использоваться напряжение 50–60 Гц или иногда синусоидальное напряжение 0,1 Гц VLF ( очень низкая частота ). Напряжение включения, основной критерий измерения, может изменяться более чем на 100% между измерениями 50 и 60 Гц по сравнению с синусоидальным источником переменного тока 0,1 Гц VLF ( очень низкая частота ) на промышленной частоте (50–60 Гц), как предписано стандартами IEEE 48, 404, 386 и стандартами ICEA S-97-682, S-94-649 и S-108-720. Современные системы обнаружения частичных разрядов используют программное обеспечение цифровой обработки сигналов для анализа и отображения результатов измерений.
Анализ сигналов ЧР, собранных во время измерения с помощью соответствующего оборудования, может позволить обнаружить подавляющее большинство дефектов изоляции. Обычно они отображаются в формате отображения частичных разрядов. Дополнительная полезная информация об испытываемом устройстве может быть получена из фазового изображения частичных разрядов.
Достаточный отчет об измерениях содержит:
