Кабельные и распределительные устройства: наносекундный импульсный неразрушающий контроль.

Кабельные и распределительные устройства: наносекундный импульсный неразрушающий контроль.

Резюме

Испытание с частотой 50 Гц медленно нагружает изоляцию, и несколько классов дефектов вызывают разряд при более низком напряжении под воздействием быстрого фронта. Источник наносекундных импульсов подает этот фронт на проверяемый объект, а управляемая широкополосная цепочка измеряет отклик импульс за импульсом. В этой статье рассматриваются физические принципы генерации импульсов, пять типов отказов в полевых условиях, которые приводят к пропущенным неисправностям, а также этапы генерации и обнаружения, которые делают импульсное тестирование частичных разрядов пригодным для рутинной проверки.

1. Введение

Традиционный тест на частичный разряд подвергает изоляцию воздействию синусоидального сигнала частотой 50 или 60 Гц и регистрирует разряд по мере повышения напряжения. Этот метод проверен, но имеет «слепой пятен». Многие зарождающиеся неисправности показывают более высокое напряжение начала разряда при медленном воздействии, чем при быстром переходном процессе.

Газонаполненные пустоты с жесткой геометрией, загрязненные поверхностные слои и дефекты на границе раздела в кабельных соединениях и распорках ГИС ведут себя именно так. Под воздействием медленной синусоидальной волны заряд релаксирует и экранирует дефект до начала разряда. Импульс с нарастанием в наносекунды создает резкое и локализованное напряжение в месте дефекта до того, как начнется эта релаксация.

В таких программах, как, например, в Техническом университете Мюнхена, используется этот эффект. Последовательность высоковольтных наносекундных импульсов возбуждает исследуемый объект, а широкополосная цепочка регистрирует возникающий разряд. Поскольку возбуждение представляет собой контролируемый импульс, отклик можно синхронизировать по времени, отфильтровать от фонового сигнала и соотнести с импульсом, вызвавшим его.

В этой статье рассматриваются физические принципы возбуждения наносекундными импульсами, пять типов отказов в полевых условиях, приводящих к пропущенным неисправностям, а также этапы проектирования, обеспечивающие достаточную надежность импульсного тестирования частичных разрядов для рутинной проверки.

2. Основной механизм

2.1 Накопление энергии и генерация импульсов

Источник наносекундных импульсов накапливает энергию в конденсаторной батарее и высвобождает её через быстродействующий переключатель в исследуемый объект. Накопленная энергия зависит от значения емкости батареи и напряжения заряда.

W = ½ · C · V²

где W — запасённая энергия в Дж, C — ёмкость батареи в нФ, а V — напряжение заряда в кВ. Батарея ёмкостью 26 нФ при напряжении 20 кВ вмещает 5.2 Дж, что обеспечивает большой запас для импульса в 40 мДж.

Время нарастания подаваемого импульса обусловлено индуктивностью разрядной петли и емкостью разрядного блока.

t_r ≈ 2.2 · √(L_loop · C)

где t_r — время нарастания в нс, L_loop — индуктивность петли в нГн, а C — емкость блока в нФ. Для фронта длительностью 5 нс в петле индуктивностью 200 нГн значение емкости блока составляет около 26 нФ. Внутренняя индуктивность конденсатора добавляется к L_loop, поэтому каждый наногенри ESL растягивает фронт и ослабляет напряжение на дефекте.

2.2 Почему быстрый фронт сигнала обнаруживает дефекты, которые пропускает частота 50 Гц

Напряжение в месте дефекта зависит от того, как поле распределяется по геометрии дефекта. Внутри заполненной газом полости в твердой изоляции напряжение на полости следует за отношением диэлектрических проницаемостей.

V_void = V_applied · (ε_r,ins · d_void) / (ε_r,void · d_ins + ε_r,ins · d_void)

где V_void — напряжение на пустоте в кВ, V_applied — приложенное напряжение в кВ, ε_r,in — относительная диэлектрическая проницаемость твердого тела, ε_r,void — относительная диэлектрическая проницаемость газа, а d — толщина в мм. Пустота с ε_r, близкой к 1, внутри эпоксидной смолы с ε_r, близкой к 4, создает поле, примерно в 4 раза превышающее среднее.

При наносекундном фронте преобладает емкостное деление. Быстрый фронт создает напряжение в пустоте до того, как релаксация заряда сможет ее экранировать, поэтому разряд начинается при более низком приложенном напряжении, чем при частоте 50 Гц. Измерения в этой области показывают снижение начала разряда на 20–40% в газонаполненных пустотах.

2.3 Цепочка обнаружения и временная строга

Реакция на каждый возбуждающий импульс поступает в течение нескольких сотен наносекунд от края сигнала, хорошо отделенная от фонового шума сети электропитания частотой 50 Гц. Ширина полосы пропускания цепи соответствует поступающему фронту сигнала.

f_max ≈ 0.35 / t_r

где f_max — требуемая полоса пропускания в МГц, а t_r — время нарастания сигнала в нс. Для фронта длительностью 5 нс требуется 70 МГц для пика и от 100 до 500 МГц для разрешения самой формы сигнала разряда.

Преимущество метода заключается в использовании временной стробирующей модуляции. Окно сбора данных открывается вокруг каждого возбуждающего импульса, поэтому помехи от выпрямителей, радиосигналов и расположенного рядом оборудования остаются вне записи. Метод подавляет этот шум за счет синхронизации, без использования фильтра в сигнальном тракте.

2.4 Повторяющиеся нагрузки, энергия и изоляционные напряжения

Каждый импульс вызывает быстрый переходный процесс на исследуемом объекте, при этом испытание не должно повредить целостную изоляцию. Энергия импульса зависит от емкости объекта.

E_pulse = ½ · C_obj · V²

где E_pulse — энергия импульса на один выстрел в мДж, C_obj — емкость объекта в пФ, а V — напряжение импульса в кВ. Образец кабеля длиной 1 м с емкостью 200 пФ при напряжении 20 кВ потребляет 40 мДж энергии на один выстрел, что является термически пренебрежимо малым. Важное значение имеет само переходное напряжение.

Для проведения испытаний необходимо накопить достаточное количество статистических данных о разрядах, обычно от 100 до 1,000 выстрелов на каждую точку испытания, при этом суммарное напряжение должно оставаться ниже расчетного уровня выдерживаемой нагрузки.

Рис. 1 — Глубокая пустота отвечает на 400 нс, за пределами фиксированного окна от 0 до 200 нс, в то время как кольцевой источник с частотой 30 МГц затухает на той же записи.

3. Проблемы проектирования

Болевой пункт 1: Источник звона в ушах воспринимается как разрядная активность.

Установка, построенная на основе генератора Маркса с малодемпфированными каскадами, генерировала колебания частотой 30 МГц, которые затухали в течение 500 нс после каждого импульса. Детектор регистрировал это как разряд в каждой контрольной точке. Контрольное измерение на известном образце звука дало тот же результат, что подтвердило, что именно эти колебания создавали сигнал. Каждый исправный прибор был отмечен, а каждый неисправный остался скрытым за тем же артефактом.

Проблемный момент 2: Индуктивность банка выходит за пределы допустимых значений.

Два источника генерировали одинаковый номинальный импульс 20 кВ, но по-разному воздействовали на дефект. Источник с высокой индуктивностью обеспечивал время нарастания 18 нс и обнаружил лишь 60% неисправностей, которые были обнаружены источником с низкой индуктивностью и временем нарастания 5 нс. Источник с индуктивностью контура, у которого постепенно увеличивается индуктивность, теряет мощность обнаружения, в то время как пиковая амплитуда на осциллографе остается неизменной.

Проблема 3: Из-за фиксированного временного окна опоздавшие не успевают на рейс.

Разряд из глубокой пустоты или длинного участка кабеля приходит через десятки или сотни наносекунд после края. Интервал времени от 0 до 200 нс позволил зафиксировать приповерхностные пустоты и пропустил глубокие дефекты, отклик которых достигал 400 нс. В отчете указывалось на отсутствие разряда на образцах, которые впоследствии продемонстрировали явную внутреннюю активность.

Проблемный момент 4: Переходный процесс связи ослепляет детектор.

Емкость тестируемого объекта напрямую связывает возбуждающий импульс с цепью детектирования и создает большой синфазный переходный процесс на границе. В одном из экспериментов этот переходный процесс превышал диапазон действия усилителя в течение 150 нс после каждого импульса, что охватывает окно, в котором появляется приповерхностный разряд. Система работала на образцах длинных кабелей, но вышла из строя на компактных распределительных устройствах.

Пятая болевая точка: Повторение действий приводит к незаметному накоплению стресса.

В ходе кампании изолятор трансформатора подвергался импульсному воздействию напряжения 30 кВ со скоростью 200 импульсов в секунду в течение целых суток, что составляет более 17 миллионов переходных процессов. Накопленное напряжение превысило допустимые значения для неразрушающего контроля, а последующая проверка выявила ускоренное образование треков в зоне напряжения. Каждый импульс сам по себе был безвреден, а количество импульсов оказалось недостающим пределом.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Создать исходный код для чистого, быстрого и воспроизводимого периферийного устройства.

Уменьшите индуктивность контура с помощью коаксиальной конструкции, ламинированных шин и накопительных конденсаторов с низким эквивалентным уровнем звукового давления (ESL). Проверьте время нарастания сигнала на клеммах тестируемого объекта. Добавьте демпфирование в контур разряда, чтобы импульс не превышал 5% перерегулирования и не имел 1% остаточных колебаний, поскольку источник не должен создавать артефакты в полосе частичных разрядов. Контролируйте форму сигнала при каждом импульсе и отбраковывайте запись, форма которой не соответствует спецификации.

Стратегия 2: Использование керамических конденсаторов с низкой индуктивностью в качестве элементов формирования импульсов.

Выберите банк импульсов, частота саморезонанса которого находится выше самой высокой спектральной составляющей предполагаемого импульса, чтобы банк не растягивал и не создавал резонанс на краю. Согласуйте значение банка с временем нарастания через t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) и поддерживайте это значение при изменении температуры с помощью диэлектрика класса I, например, N4700Требуется номинальная мощность выше 10⁶ импульсных событий, чтобы форма импульса оставалась постоянной величиной, заданной при проектировании.

Стратегия 3: Сделайте окно обнаружения адаптивным.

Измерьте время распространения для каждого класса тестовых объектов или используйте рефлектометрию для определения дальнего конца и установите окно от самого быстрого до самого медленного ожидаемого момента прихода сигнала. Записывайте полные волновые формы для каждого снимка и затем обрабатывайте их программно, чтобы смещение окна стало ошибкой, подлежащей проверке. Запустите двухканальный сбор данных с монитором источника на одном канале, чтобы возбуждение и отклик синхронизировались программно.

Стратегия 4: Отклонение переходного процесса связи

Используйте сбалансированное или дифференциальное детектирование для подавления синфазного переходного процесса на входе детектора. Блокируйте первые 20–50 нс после края только в том случае, если это позволяет геометрия, и проверяйте блокировку по эталонным образцам с известными дефектами поверхности. Добавьте HVR-BSP толстопленочный резистор в цепочке разделителей и быстровосстанавливающийся диод в выпрямителе, поэтому канал мониторинга передает только полосу разряда.

Стратегия 5: Ограничить кумулятивный стресс

Установите количество повторений на каждую контрольную точку, исходя из данных о выдержке импульса объектом, и оставьте запас прочности для этого значения. Запишите суммарное количество импульсов, энергию за один импульс и пиковое напряжение для каждой кампании. Там, где позволяет график, чередуйте проверку импульсной частичных разрядов с проверкой частичных разрядов в установившемся режиме на том же объекте, чтобы два метода были взаимодополняющими.

Стратегия 6: Отслеживание тока разряда и состояния аккумуляторной батареи.

Определите путь разряда с помощью... резистор выборки HVRGHP и регистрируйте ток разряда в зависимости от температуры блока. Повышение температуры блока при фиксированной частоте повторения указывает на рост ESL или ESR, что является ранним признаком растянутого фронта. Поддерживайте температуру блока в пределах ±10 °C от его калибровочной температуры и используйте HVCT8G блок дверных ручек где компактный пакет с низкой индуктивностью должен помещаться на переносной тележке.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для источников наносекундных импульсных фотодиодов.

Блок формирования импульсов определяет, будет ли длительность фронта импульса 5 нс или 18 нс, чистым или с колебаниями. На этот результат влияют два свойства: индуктивность компонента и стабильность его емкости. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обоих типов импульсов на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESL ниже 20 нГн в корпусах дверных ручек поддерживает низкую индуктивность разрядной петли, что обеспечивает фронт сигнала длительностью 5 нс с однополюсным затуханием.
• Погрешность TCC в пределах ±30 ppm/°C поддерживает заданное значение в полевых условиях, поэтому время нарастания t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) и чувствительность к повреждениям остаются одинаковыми как в цехе, так и на подстанции.
• Потери составляют менее 0.1% при высоком значении dv/dt, поэтому блок не нагревается самопроизвольно между импульсами, и каждый подаваемый импульс соответствует предыдущему.
• Частицы разряда не превышают 5 пКл при номинальном напряжении, поэтому блок питания не добавляет внутреннего разряда в чувствительный измерительный диапазон.
• Длительность импульсного отклика превышает 10⁶ событий без затухания емкости, поэтому форма сигнала остается неизменной на протяжении всей кампании.
• Эпоксидная герметизация с тройным покрытием, устойчивость к солевому туману в течение 96 часов и изоляция, рассчитанная на напряжение 60 кВ, позволяют разместить компактный и безопасный источник питания внутри переносной тележки.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты для формирования импульсов — в течение 6–10 недель, в то время как у ведущих брендов этот срок составляет 20–30 недель. Каждое устройство имеет показатель ESL и ресурс импульса более 10⁶ выстрелов.

Отправьте импульсное напряжение, требуемое время нарастания, емкость объекта и частоту повторения. HVC вернет план обработки импульсов с указанием емкости, индуктивности контура, энергии на один импульс и т. д. Перекрестная ссылка В случае повреждения деталей Murata и Vishay в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему наносекундный импульс инициирует разряд при более низком напряжении?

Поскольку быстрое краевое воздействие создает напряжение на дефекте до того, как релаксация заряда сможет его экранировать. В пустоте с ε_r, близкой к 1, внутри эпоксидной смолы с ε_r, близкой к 4, пустота несет примерно в 4 раза большее среднее поле, и емкостное деление доминирует в наносекундном масштабе времени. Сообщается о снижении вероятности возникновения дефекта в газонаполненных пустотах на 20–40%.

В2: Как рассчитать размер батареи для хранения энергии?

Исходя из времени нарастания и индуктивности петли: t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C). Для прохождения фронта длительностью 5 нс через петлю с индуктивностью 200 нГн требуется около 26 нФ. Затем сравним запасенную энергию W = ½·C·V² с энергией на один импульс, которая для образца кабеля длиной 1 м с индуктивностью 200 пФ при напряжении 20 кВ составляет 40 мДж.

В3: Как мне определить, что звон исходит от источника, а не от изоляции?

Измерьте уровень известного эталонного звука. Если на эталонном образце появляется такое же затухание колебаний, значит, источник его генерирует. Затем затухайте разрядную петлю до тех пор, пока импульс не будет иметь перерегулирование менее 5% и остаточные колебания менее 1%, и контролируйте форму сигнала при каждом выстреле.

Вопрос 4: Где должно начинаться и заканчиваться окно приобретения?

Измерьте время распространения для каждого класса объектов или используйте рефлектометрию, чтобы найти дальний конец, и установите окно от самого быстрого до самого медленного ожидаемого момента прихода сигнала. Окно, фиксированное в диапазоне от 0 нс до 200 нс, пропускает глубокие пустоты, отклик которых приходит через 400 нс. Запишите полную осциллограмму и затем обработайте её программно.

В5: Сколько импульсов можно подать, прежде чем тест станет разрушительным?

Установите счетчик на основе данных о выдержке импульса объектом и сохраните запас. В ходе одной кампании при напряжении 30 кВ и частоте 200 импульсов в секунду в течение суток было применено более 17 миллионов переходных процессов, что привело к ускоренному отслеживанию в конусе напряжений. Регистрируйте суммарное количество импульсов, энергию и пиковое напряжение, а также ограничивайте количество импульсов для каждого типа компонента.

В6: Как предотвратить ослепление детектора из-за переходного процесса возбуждения?

Используйте сбалансированное или дифференциальное детектирование для подавления синфазного переходного процесса и удерживайте входной сигнал детектора в пределах его диапазона. Переходный процесс связи, выходящий за пределы диапазона усилителя в течение 150 нс после каждого импульса, закрывает окно, в котором появляется приповерхностный разряд. Закрывайте это окно только тогда, когда это оправдано геометрией, и проверяйте закрытие на эталонном образце.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
9. ГОСТ IEC 61071-2014, Конденсаторы силовые электронные (Конденсаторы для силовой электроники). Москва: Стандартинформ, 2014.
10. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com