Analiza zasady częściowego wyładowania

Analiza zasady częściowego wyładowania (1)

Pod wpływem pola elektrycznego w systemie izolacji, wyładowanie występuje tylko w niektórych obszarach i nie przenika między przewodnikami z podanym napięciem. Ten zjawisko nazywane jest częściowym wyładowaniem. Jeśli częściowe wyładowanie wystąpi w pobliżu przewodnika otoczonego gazem, może to również być nazwane koroną.

Częściowe wyładowanie może wystąpić nie tylko na krawędzi przewodnika, ale także na powierzchni lub wewnątrz izolatora. Wyładowanie występujące na powierzchni nazywane jest częściowym wyładowaniem powierzchniowym, a to występujące wewnątrz - wewnętrznym częściowym wyładowaniem. Gdy wyładowanie występuje w powietrznym prześwicie wewnątrz izolatora, wymiana i gromadzenie ładunków w tym prześwitcie nieuchronnie odbijają się w zmianach ładunku elektrod (lub przewodników) na obu końcach izolatora. Związek między tymi dwoma można analizować za pomocą obwodu równoważnego.

Poniżej wyjaśniono proces rozwoju częściowego wyładowania na przykładzie kabla polietylenowego spienionego. Gdy istnieje mały powietrzny prześwit w środku izolacyjnej substancji kabla, jego obwód równoważny wygląda następująco:

Na rysunku Ca to pojemność powietrznego prześwitu, Cb to pojemność stała dielektryka szeregowego z prześwitem powietrznym, a Cc to pojemność pozostałej nietkniętej części dielektryka. Jeśli prześwit powietrzny jest bardzo mały, to Cb jest znacznie mniejsza niż Cc i Cb jest znacznie mniejsza niż Ca. Gdy na elektrody przyłożone jest napięcie przemiennego prądu o natężeniu u, napięcie ua na Ca wynosi .

Gdy ua wzrasta wraz z u do osiągnięcia napięcia wyładowania U2 powietrznego prześwitu, prześwit zaczyna wyładowywać się. Ładunki przestrzenne wytworzone przez wyładowanie utworzą pole elektryczne, powodując, że napięcie na Ca gwałtownie spada do napięcia pozostałościowego U1. W tym momencie iskra gaśnie, a jedna faza częściowego wyładowania jest zakończona.

W trakcie tego procesu pojawia się odpowiadający puls prądu częściowego wyładowania. Proces wyładowania jest ekstremalnie krótki i może być uznany za zakończony niemal natychmiast. Każde wyładowanie powietrznego prześwitu powoduje natychmiastowe spadnięcie napięcia o Δua = U2 - U1. Gdy przyłożone napięcie nadal rośnie, Ca ponownie nabiera ładunku, aż ua ponownie osiąga U2, i prześwit powietrzny wyładowuje się drugi raz.

W momencie wystąpienia częściowego wyładowania, prześwit powietrzny generuje impulsy napięcia i prądu, które tworzą poruszające się pola elektryczne i magnetyczne w linii. Detekcja częściowego wyładowania może być przeprowadzana na podstawie tych pól.

W rzeczywistej detekcji stwierdzono, że wielkość każdego wyładowania (czyli wysokość impulsu) nie jest jednakowa, a wyładowania występują głównie w fazie narastania wartości bezwzględnej amplitudy przyłożonego napięcia. Tylko gdy wyładowanie jest ekstremalnie intensywne, może ono rozszerzyć się do fazy opadania wartości bezwzględnej napięcia. Jest to spowodowane tym, że w praktyce często występuje wiele bańek powietrza wyładowujących się jednocześnie; albo istnieje tylko jedna duża bańka, ale każde wyładowanie nie obejmuje całego obszaru bąbelka, tylko lokalny region.

Oczywiście, ilość ładunku każdego wyładowania nie musi być taka sama, a nawet mogą wystąpić odwrotne wyładowania, które mogą nie neutralizować pierwotnie zgromadzonych ładunków. Zamiast tego ładunki dodatnie i ujemne gromadzą się w pobliżu ścianki bąbelka, powodując wyładowanie powierzchniowe wzdłuż ścianki bąbelka. Ponadto przestrzeń w pobliżu ścianki bąbelka jest ograniczona. Podczas wyładowania wewnątrz bąbelka tworzy się wąski kanał przewodzący, co prowadzi do wycieku niektórych ładunków przestrzennych wytworzonych przez wyładowanie.