Metody charakteryzowania wyładowań niezupełnych

Wyładowania niezupełne występujące w kondensatorach można charakteryzować mierząc różne wielkości:

– impulsy prądowe w układzie z kondensatorem sprzęgającym, – sygnały emisji akustycznej,

– zmiany strat dielektrycznych w funkcji napięcia pomiarowego, – zmiany rezystancji izolacji w funkcji napięcia pomiarowego.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą charakteryzowania wyładowań niezupełnych jest pomiar impulsów prądowych w układzie z kondensatorem sprzęgającym (rys. 5.4). Badany kondensator Ct łączy się równolegle z kondensatorem sprzęgającym Ck. Taka pojemność jest dołączona do źródła napięcia E o impedancji wewnętrznej Z_w. Zmiana napięcia ∆U_t spowodowana częściowym rozładowaniem kondensatora C₁ (rys. 5.2) podczas wyładowania niezupełnego jest równoważona zmianą prądu ∆It, który może być mierzony. Impulsy prądu powodowane wyładowaniami niezupełnymi sumują się z prądem płynącym pod wpływem napięcia polaryzującego kondensator podczas badania i mają charakter przypadkowy.

Ich liczba, amplituda i moment wystąpienia zależą od rodzaju i wielkości wad w dielektryku oraz od napięcia polaryzującego dielektryk [36, 41, 56-58].

a) b)

Rys. 5.4. Pomiary wyładowań niezupełnych: a) układu pomiarowy b) przebieg prądu I_t(t) z widocznymi impulsami podczas występowania wyładowań niezupełnych; U – źródło napięcia przemiennego, Z_w – impedancja wewnętrzna źródła napięciowego, C_k – kondensator sprzęgający, C_t – kondensator badany

Intensywność mierzonych impulsów prądowych I_t(t) zależy od stosunku pojemności C_k/C_t. Dużą czułość układ wykazuje dla C_k >> C_t. Wówczas obserwowany przepływ ładunku

∆q w kondensatorze Ct pod wpływem rozładowania C1 ładunkiem ∆q1 (rys. 5.2) wynosi:

∆Ut

Jeżeli dodatkowo jest spełniony warunek C1 >> C2 to z (5.2) oraz (5.3) uzyskuje się:

1 1

2 ∆q

C

∆q≈C ^(5.4)

Ładunek ∆q nazywany jest ładunkiem pozornym wyładowania niezupełnego, ponieważ jest związany z ładunkiem ∆q1 przez współczynnik C₂/C₁. Niestety, warunek C_k>>C_t jest często trudny do zrealizowania w praktyce. Duża pojemność Ck znacząco obciąża źródło napięciowe. Dodatkowo nie mogą w niej występować wyładowanie niezupełne dla stosowanych napięć pomiarowych, co wiąże się zwykle z jego wysoką ceną. W praktyce stosuje się często pojemności sprzęgające tylko nieznacznie większe od pojemności badanych kosztem mniejszej czułości układu podczas pomiarów. Ładunek płynący w trakcie wyładowań niezupełnych w badanym kondensatorze C_t jest kompensowany przepływem ładunku z kondensatora sprzęgającego Ck. Zmiana ładunku ∆qm kondensatora sprzęgającego C_k może być mierzona i można ją wyznaczyć z zależności: wyładowania niezupełnego określa się ze wzoru:

k

Innym sposobem określenia przepływu ładunku podczas wyładowania niezupełnego jest pomiar spadku napięcia na impedancji Zm, która jest łączona szeregowo z kondensatorem badanym lub sprzęgającym w zależności od pojemności badanego kondensatora. Taki układ posiada względnie dużą czułość. Niestety, jest mało odporny na zakłócenia. W celu zmniejszenia wpływu zakłóceń stosuje się układy mostkowe (rys. 5.5), co odbywa się również kosztem zmniejszania czułości.

Charakteryzowanie wyładowań niezupełnych za pomocą analizy wyników pomiarów prądu wyrównawczego z kondensatora sprzęgającego pozwala wyznaczyć szereg parametrów statystycznych [1, 16, 17, 42]. Parametry wyładowań niezupełnych można podzielić na trzy podstawowe kategorie:

− parametry impulsów napięciowych, powodowanych wyładowaniami niezupełnymi, nakładających się na przebieg napięcia polaryzującego (napięcie zapłonu, napięcie gaśnięcia, częstość wyładowań niezupełnych),

− rozkład statystyczny wartości ładunków pozornych,

− parametry i funkcje statystyczne wyładowań niezupełnych w zależności od fazy i biegunowości napięcia polaryzującego.

Rys. 5.5. Układ mostkowy do pomiarów wyładowań niezupełnych; C_k – kondensator sprzęgający, C_t – kondensator badany, Z_w – impedancja wewnętrzna źródła napięciowego U, Z_m – szeregowa impedancja pomiarowa, pC – miernik ładunku

Wyładowania niezupełne można charakteryzować także za pomocą pomiarów sygnałów emisji akustycznej, co proponuje się w rozprawie wykorzystać do oceny jakości badanych kondensatorów. Podczas zjawisk wyładowań niezupełnych są generowane ultradźwięki (sygnały emisji akustycznej) o częstotliwościach z zakresu od kilkudziesięciu do kilkuset kHz [6-10, 30, 70, 74, 75]. Ultradźwięki można mierzyć w systemie zawierającym przetwornik piezoelektryczny, wzmacniacz napięciowy oraz oscyloskop cyfrowy lub kartę akwizycji danych (rys. 5.6) [1, 21, 22]. Sygnał emisji akustycznej występuje z pewnym opóźnieniem w stosunku do obserwowanego impulsu prądowego wyładowania niezupełnego [30, 74].

Do zalet pomiarów wyładowań niezupełnych za pomocą sygnałów emisji akustycznej w porównaniu z metodami elektrycznymi należy zaliczyć [21, 22]:

− możliwość lokalizacji obszaru wyładowania przez zastosowanie dwóch lub więcej czujników,

− separacja galwaniczna obiektu badanego od systemu pomiarowego,

− mniejszy wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych na odczyty z czujnika,

− możliwość pomiarów wyładowań niezupełnych w kondensatorach o dużych pojemnościach, gdy pomiary elektryczne są trudniejsze do przeprowadzenia.

Rys. 5.6 Układ do pomiarów wyładowań niezupełnych za pomocą sygnałów emisji akustycznej; U – regulowane źródło napięcia przemiennego, Z_w – impedancja wewnętrzna źródła napięciowego, C_t – kondensator badany, 1 – obudowa kondensatora, 2 – zwijka folii w kondensatorze z wtrąciną gazową, 3 – żel ograniczający opory akustyczne dla sygnału docierającego do czujnika, 4 – czujnik piezoelektryczny, 5 – wzmacniacz, 6 – układ akwizycji danych

Rejestrowane sygnały elektryczne lub emisji akustycznej podczas wyładowań niezupełnych można charakteryzować za pomocą szeregu różnych parametrów i funkcji [13, 55, 59, 82-86, 92]. Jako parametry statystyczne najczęściej wyznacza się odchylenie standardowe σ_x, skośność γ₁ lub spłaszczenie γ₂. Dla ciągu zmierzonych N wartości x_i (i = 1…N), gdzie x_i to rejestrowane próbki napięcia, prądu (np. I_t(t) w układzie z rys. 5.4) lub sygnału emisji akustycznej (np. na wyjściu przetwornika akustycznego w układzie z rys. 5.6) podczas wyładowań niezupełnych, estymator odchylenia standardowego określa zależność:

zaś współczynnik spłaszczenia (kurtozę) definiuje wyrażenie:

( )

Odchylenie standardowe jest miarą intensywności zachodzących zjawisk o charakterze losowym. Skośność jest miarą asymetrii rozkładu prawdopodobieństwa wartości chwilowych.

W przypadku rozkładu normalnego wartość γ1 wynosi zero. Kurtoza jest natomiast miarą spłaszczenia tego rozkładu i także wynosi zero dla rozkładu normalnego [61].

a) b)

Rys. 5.7. Przebiegi rejestrowane podczas wyładowań niezupełnych w kondensatorze o pojemności 27 nF/275 V~ klasy Y2: a) sygnału emisji akustycznej, b) napięcia na rezystorze R_sw połączonym szeregowo z kondensatorem sprzęgającym C_k (rys. 5.9a); częstotliwość próbkowania sygnałów wynosiła 10 MHz

Do innych, poza już wymienionymi parametrami, które mogą charakteryzować badany sygnał, należy zaliczyć energię rejestrowanego sygnału, szybkość jego narastania, wartości szczytowe oraz analizę czasowo-częstotliwościową lub widmową [16, 17]. Przykładowy, zarejestrowany przebieg sygnału emisji akustycznej pojedynczego wyładowania niezupełnego pokazano na rys. 5.7a, a rejestrowany równolegle sygnał napięciowy na szeregowym rezystorze R_sw (w układzie pomiarowym z rys. 5.9) na rys. 5.7b [68]. Podczas polaryzacji kondensatora napięciem zmiennym obserwuje się ciąg wyładowań niezupełnych, którym towarzyszy ciąg sygnałów emisji akustycznej o zbliżonym kształcie (rys. 5.8). Badanie występowania emisji akustycznej można przeprowadzić w trakcie przewidywanej normami próby wytrzymałości elektrycznej, podczas której kondensator jest polaryzowany wysokim napięciem o wartościach uzależnionych od jego typu (rys. 5.9).

-30

a) b)

Rys. 5.8. Przykładowe oscylogramy zarejestrowane podczas wyładowań niezupełnych w kondensatorze 470 nF/275 V~: a) sygnał emisji akustycznej, b) ciąg sygnałów emisji akustycznej (dolna część rysunku) wraz z przebiegiem sygnału indukowanego napięciem polaryzującym o częstotliwości 50 Hz

a)

b)

Rys. 5.9. Układy do pomiarów sygnałów emisji akustycznej powodowanych wyładowaniami niezupełnymi podczas próby wytrzymałości elektrycznej: a) dla kondensatorów 27 nF/275 V~ klasy Y2, b) dla kondensatorów 470 nF/275 V~ klasy X2; 1 – obudowa kondensatora, 2 – zwijka folii w kondensatorze z wtrąciną gazową, 3 – żel ograniczający opory akustyczne dla sygnału docierającego do czujnika, 4 – czujnik piezoelektryczny, 5 – wzmacniacz, 6 – wielokanałowy oscyloskop TDS5034B, R_w – rezystancja wewnętrzna źródła, U – źródło napięcia stałego, R_sw – szeregowy rezystor wzorcowy, C₁, C₂, – pojemnościowy dzielnik napięcia, C_k – kondensator sprzęgający, C_t – kondensator badany

Warto podkreślić, że układy do pomiarów sygnałów emisji akustycznej są zwykle tańsze niż urządzenia rejestrujące wyładowania niezupełne w układach mostkowych. Ponadto, pomiary wielokanałowe sygnałów emisji akustycznej pozwalają lokalizować miejsca występowania wyładowań niezupełnych w przypadku obiektów o odpowiednio dużych wymiarach.