Nguyên nhân phóng điện cục bộ trong thiết bị đóng cắt điện áp cao

Phóng điện cục bộ là một trong những dấu hiệu cảnh báo sớm quan trọng nhất về sự suy giảm cách điện trong thiết bị đóng cắt điện áp cao. Mặc dù phóng điện cục bộ không hoàn toàn bắc cầu cách điện giữa các dây dẫn, nhưng hoạt động phóng điện lặp đi lặp lại có thể làm hỏng dần hệ thống cách điện và làm tăng nguy cơ hỏng cách điện, phóng điện và tắt thiết bị bất ngờ.

Hiểu được nguyên nhân phóng điện cục bộ giúp các kỹ sư điện xác định các khiếm khuyết ở giai đoạn đầu và cải thiện độ tin cậy của thiết bị đóng cắt trong suốt thời gian sử dụng của nó.

Xả một phần là gì?

Phóng điện cục bộ là hiện tượng phóng điện cục bộ chỉ xảy ra ở một phần của hệ thống cách điện. Nó có thể phát triển bên trong khoảng trống chứa đầy khí, dọc theo bề mặt cách điện, xung quanh cạnh sắc của dây dẫn hoặc gần khuyết tật của chất điện môi rắn hoặc hỗn hợp.

Hiện tượng này thường liên quan đến sự tập trung ứng suất điện cục bộ. Khi điện trường cục bộ vượt quá cường độ chịu đựng của khu vực yếu, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện ngắn. Sự phóng điện có thể diễn ra trong thời gian ngắn và nhỏ, nhưng hoạt động lặp đi lặp lại có thể dần dần làm suy yếu lớp cách điện xung quanh.

IEC 60270 xác định các phương pháp dựa trên điện tích để đo phóng điện cục bộ trong các thiết bị điện, linh kiện và hệ thống được thử nghiệm với điện áp AC hoặc DC. Tiêu chuẩn này cũng đề cập đến các mạch đo, hiệu chuẩn, đo lường kỹ thuật số và tách tín hiệu phóng điện cục bộ khỏi nhiễu bên ngoài.IEC 60270:2025

Phóng điện một phần làm hư hỏng lớp cách nhiệt như thế nào

1. Thiệt hại hóa học do các hạt tích điện gây ra

Trong quá trình phóng điện cục bộ, các electron và ion di chuyển qua vùng yếu của chất cách điện. Những hạt tích điện năng lượng cao này va chạm với các phân tử cách nhiệt và có thể phá vỡ liên kết hóa học.

Việc bắn phá liên tục có thể gây ra:

1. Phân hủy chuỗi polymer

2, Xói mòn bề mặt

3, Hình thành các đường dẫn cacbon hóa

4, Sự phân hủy hóa học của nhựa epoxy và các vật liệu cách điện khác

5, Độ bền điện môi giảm dần

Trong vật liệu cách nhiệt rắn, quá trình này có thể mở rộng một khoang bên trong hoặc tạo ra rãnh trồng cây. Một khi khuyết tật trở nên đủ lớn, lớp cách điện có thể không còn chịu được điện áp hoạt động bình thường hoặc quá điện áp tạm thời.

2. Thiệt hại do nhiệt và oxy hóa

Phóng điện cục bộ cũng tạo ra nhiệt cục bộ. Mặc dù năng lượng trung bình của một lần phóng điện riêng lẻ có thể thấp nhưng các xung lặp lại tập trung ở cùng một khu vực có thể làm tăng nhiệt độ của lớp cách nhiệt xung quanh.

Ứng suất nhiệt gây ra có thể dẫn đến:

1, Quá nhiệt cục bộ

2 、 nứt oxy hóa

3, Sự nóng chảy hoặc cacbon hóa của vật liệu polymer

4, Mất độ bền cơ học

5, Mở rộng các vết nứt và khoảng trống bên trong

Thiệt hại nhiệt và thiệt hại hóa học thường củng cố lẫn nhau. Khi bề mặt cách điện trở nên nhám hơn hoặc dẫn điện nhiều hơn, điện trường cục bộ trở nên kém đồng đều hơn, điều này có thể đẩy nhanh hoạt động phóng điện hơn nữa.

Thiết bị đóng cắt điện áp cao và hệ thống cách điện của nó

Thiết bị đóng cắt điện áp cao là một tổ hợp phức tạp bao gồm dây dẫn, thiết bị chuyển mạch, thanh cái, bộ phận cách điện, vỏ nối đất và hệ thống điều khiển.

Tùy thuộc vào thiết kế, vật liệu điển hình có thể bao gồm:

1、Nhựa Epoxy

2、Silicone hoặc nhựa kỹ thuật khác

3、Không khí hoặc khí cách điện

4, Lưu huỳnh hexafluoride trong thiết bị cách nhiệt bằng khí

5, Vật liệu cách nhiệt bằng gốm hoặc composite

6, Đồng, nhôm và các vật liệu dẫn điện khác

Sự kết hợp của các vật liệu và hình dạng khác nhau tạo ra nhiều vị trí có thể xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ. Chất lượng sản xuất, độ chính xác của lắp ráp, điện áp vận hành, nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm và lão hóa cách điện đều có thể ảnh hưởng đến hành vi của PD.

Đối với các ứng dụng thiết bị đóng cắt, các yêu cầu liên quan phụ thuộc vào thiết kế thiết bị và cấp điện áp. Bộ tiêu chuẩn IEC 62271 bao gồm các thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp cao, bao gồm cả thiết bị sử dụng khí cách điện và cách điện rắn.Dòng sản phẩm IEC 62271

Nguyên nhân chính gây phóng điện cục bộ trong thiết bị đóng cắt điện áp cao

1. Khiếm khuyết trong quá trình sản xuất vật liệu cách nhiệt

Lỗi sản xuất là một trong những nguồn phóng điện cục bộ phổ biến nhất trong thiết bị đóng cắt cách điện rắn.

Khoảng trống bên trong và bong bóng khí

Trong quá trình đúc, đúc hoặc đóng gói bằng epoxy, bọt khí có thể vẫn còn bên trong lớp cách nhiệt. Những khoảng trống này có độ bền điện môi thấp hơn lớp cách điện rắn xung quanh.

Khi đặt điện áp vào, điện trường bên trong khoảng trống sẽ cao hơn điện trường trung bình trong vật liệu rắn. Điều này liên quan đến sự chênh lệch giữa hằng số điện môi của khí bên trong khoảng trống và hằng số điện môi của lớp cách điện xung quanh.

Kết quả là khí trong khoang có thể bị phân hủy trước lớp cách nhiệt chính. Mỗi lần phóng điện có thể phóng to khoảng trống, làm hỏng bề mặt của nó và cuối cùng làm giảm độ bền cách nhiệt tổng thể.

Các hạt lạ và ô nhiễm vật liệu

Các hạt kim loại, bụi, hơi ẩm và các tạp chất khác được đưa vào trong quá trình sản xuất có thể tạo ra các điểm yếu cục bộ. Ô nhiễm dẫn điện có thể làm biến dạng điện trường hoặc tạo thành đường phóng điện giữa các vùng khác nhau của cách điện.

Nguyên nhân điển hình bao gồm:

1, Điều kiện đúc được kiểm soát kém

2, Vệ sinh không đầy đủ trước khi lắp ráp

3, Bảo quản các bộ phận cách nhiệt không đúng cách

4, Nhựa epoxy đóng rắn không đủ

5, Ô nhiễm trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt

Một lỗi bên trong có thể không gây ra hỏng hóc ngay lập tức nhưng nó có thể trở nên nghiêm trọng hơn khi thiết bị cũ đi hoặc hoạt động dưới áp lực điện tăng cao.

2. Điện trường phân bố không đều

Một điện trường đồng nhất là điều cần thiết cho hiệu suất cách điện đáng tin cậy. Bất kỳ điểm sắc nét, bề mặt không đều hoặc vật dẫn điện nổi đều có thể làm tăng điện trường cục bộ và gây ra hiện tượng phóng điện một phần.

Các gờ và các cạnh sắc trên dây dẫn

Các gờ của thanh cái, các góc nhọn, các cạnh của dây dẫn chưa hoàn thiện và các điện cực có hình dạng kém có thể tạo ra sự tập trung điện trường mạnh.

Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng xung quanh:

1, Khớp nối thanh cái

2, Thiết bị đầu cuối cáp

3, Di chuyển danh bạ

4, Kết nối bắt vít

5, Thành phần che chắn

6, Chèn dẫn điện bên trong vật liệu cách nhiệt đúc

Ngay cả khi điện áp hoạt động trung bình nằm trong định mức của thiết bị, trường cục bộ gần cạnh sắc có thể vượt quá mức bắt đầu phóng điện.

Các hạt kim loại lỏng lẻo hoặc nổi

Các hạt kim loại bên trong vỏ thiết bị đóng cắt có thể tích điện hoặc di chuyển dưới tác động của điện trường. Vị trí và thế năng của chúng có thể thay đổi trong quá trình hoạt động, tạo ra điều kiện trường không ổn định.

Các hạt như vậy có thể gây ra:

1, Nâng cao trường địa phương

2, Xả bề mặt

3, Xung phóng điện không liên tục

4, Theo dõi vật liệu cách nhiệt gần đó

5, Mẫu PD không ổn định

Đây là một lý do tại sao sự sạch sẽ và quy trình lắp ráp nghiêm ngặt lại quan trọng trong quá trình sản xuất và bảo trì thiết bị đóng cắt.

Bề mặt cách nhiệt bị nhiễm bẩn hoặc thô ráp

Bụi, hơi ẩm, dầu và các chất ô nhiễm khác có thể làm giảm khoảng cách đường rò hiệu quả trên bề mặt cách nhiệt. Bề mặt gồ ghề hoặc hư hỏng cũng tạo ra nồng độ trường nhỏ nơi có thể bắt đầu phóng điện bề mặt.

Ô nhiễm bề mặt đặc biệt quan trọng trong thiết bị tiếp xúc với:

1, Độ ẩm cao

2, Bụi dẫn điện

3, Xịt muối

4, Ô nhiễm công nghiệp

5, Ngưng tụ

6, Thông gió kém

Chỉ làm sạch có thể không giải quyết được vấn đề vĩnh viễn nếu bề mặt cách nhiệt đã phát triển vết nứt, vết nứt hoặc xói mòn.

Khiếm khuyết trong vỏ bọc nối đất

Vỏ kim loại thường cung cấp khả năng che chắn và điện thế tham chiếu được kiểm soát. Tuy nhiên, các mối hàn thô, lỗ rỗng, tạp chất xỉ và các lỗi sản xuất khác có thể tạo ra điều kiện điện trường không đều gần vỏ bọc nối đất.

Những khiếm khuyết này có thể tương tác với các bộ phận cách điện hoặc dẫn điện gần đó và làm tăng nguy cơ phóng điện. Do đó, chất lượng mối hàn, hình dạng vỏ, tính liên tục của nối đất và khe hở bên trong phải được kiểm tra trong quá trình sản xuất và kiểm tra.

3. Môi trường điện môi không đồng nhất

Thiết bị đóng cắt hiện đại thường sử dụng hệ thống cách điện composite trong đó một số vật liệu phối hợp với nhau. Ví dụ, nhựa epoxy có thể được kết hợp với nhựa kỹ thuật, khí cách điện, vật liệu dẫn điện và khe hở không khí.

Mỗi vật liệu có tính chất điện và nhiệt khác nhau. Nếu các giao diện được thiết kế hoặc sản xuất kém thì trường điện môi có thể không được phân bổ đều.

Các vấn đề tiềm ẩn bao gồm:

1, Liên kết kém giữa các vật liệu cách nhiệt khác nhau

2, Hằng số điện môi không đồng đều

3. Khoảng trống ở các bề mặt vật liệu

4, Phân tách nội bộ

5、Độ ẩm bị mắc kẹt giữa các lớp

6. Khoảng trống xung quanh dây dẫn nhúng

Bong bóng và tạp chất bên trong có thể làm tăng thêm tính không đồng nhất của môi trường điện môi. Dưới điện áp hoạt động, những vùng này có thể chịu ứng suất điện lớn hơn lớp cách điện xung quanh và trở thành điểm bắt đầu phóng điện cục bộ.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến việc phóng điện một phần

Phóng điện cục bộ không chỉ do lỗi sản xuất. Một số điều kiện vận hành và môi trường có thể làm tăng hoạt động phóng điện.

Điện áp hoạt động

Khi điện áp đặt vào tăng, điện trường ở vùng yếu cũng tăng. Một khiếm khuyết không hoạt động ở điện áp bình thường có thể tạo ra sự phóng điện có thể đo được trong trường hợp quá điện áp, thử nghiệm khả năng chịu đựng hoặc tăng điện áp hệ thống tạm thời.

Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến đặc tính cách nhiệt, áp suất khí, độ giãn nở của vật liệu và tình trạng của các bề mặt. Sự giãn nở nhiệt có thể mở rộng các khoảng trống hiện có hoặc gây thêm áp lực lên các bộ phận cách nhiệt được liên kết.

Độ ẩm và ngưng tụ

Độ ẩm có thể làm giảm điện trở cách nhiệt bề mặt và thúc đẩy quá trình phóng điện bề mặt. Sự ngưng tụ đặc biệt nguy hiểm khi không khí ấm, ẩm đi vào khoang thiết bị đóng cắt làm mát.

Lão hóa cách nhiệt

Căng thẳng về điện, nhiệt và cơ học trong thời gian dài có thể gây ra lão hóa cách điện. Quá trình lão hóa có thể tạo ra các vết nứt, đổi màu, xói mòn, tách lớp và tăng khả năng hấp thụ độ ẩm, tất cả đều có thể làm tăng khả năng phóng điện một phần.

Căng thẳng cơ học và rung động

Các kết nối lỏng lẻo, độ rung và sự giãn nở nhiệt lặp đi lặp lại có thể tạo ra những khoảng trống nhỏ giữa các bộ phận cách nhiệt. Những khoảng trống này có thể trở thành vị trí phóng điện, đặc biệt là gần các thanh cái, đầu cáp và dây dẫn nhúng.

Phát hiện phóng điện cục bộ trong thiết bị đóng cắt

Thử nghiệm PD được sử dụng để xác định hoạt động phóng điện trước khi nó phát triển thành hư hỏng cách điện nghiêm trọng. Tùy thuộc vào thiết bị và mục tiêu thử nghiệm, các kỹ sư có thể đánh giá điện tích biểu kiến, cường độ phóng điện, kiểu phân giải pha, độ lặp lại xung và những thay đổi theo thời gian.

Một bài kiểm tra đáng tin cậy nên bao gồm:

1, Bố trí dụng cụ đo và cảm biến phù hợp

2, Hiệu chuẩn hệ thống đo lường đúng cách

3, Kiểm soát hiệu quả sự can thiệp từ bên ngoài

4, Nối đất và che chắn đúng cách

5, Điện áp thử nghiệm ổn định và điều kiện môi trường

6, So sánh với giới hạn kỹ thuật và hồ sơ kiểm tra trước đó

Weshine Electric là nhà sản xuất chuyên nghiệp chuyên nghiên cứu, phát triển và sản xuất các thiết bị đo lường và kiểm tra điện áp cao. Được trang bị các xưởng sản xuất tiêu chuẩn hóa và các phòng thí nghiệm hiệu chuẩn độc lập, nhà máy tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn IEC và hệ thống quản lý chất lượng ISO để đảm bảo mọi thiết bị đều mang lại hiệu suất thử nghiệm ổn định, có thể lặp lại và chống nhiễu cho các ứng dụng công nghiệp điện toàn cầu.

Máy kiểm tra phóng điện từng phần kỹ thuật số GDJF-2007 được phát triển độc lập và hiệu chuẩn tại nhà máy bởi Weshine Electric. Nó có thể được sử dụng để đo và phân tích phóng điện cục bộ kỹ thuật số trong thiết bị điện áp cao.  Trong các ứng dụng thực tế, thiết bị có thể hỗ trợ đánh giá cường độ PD, kiểu phóng điện và tình trạng cách điện. Cấu hình thử nghiệm chính xác và tiêu chí chấp nhận phải được lựa chọn theo thiết kế thiết bị đóng cắt, tiêu chuẩn áp dụng và tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra phóng điện cục bộ trong thiết bị đóng cắt là gì?

Các nguyên nhân phổ biến bao gồm khoảng trống bên trong, bọt khí, tạp chất, cạnh dẫn sắc nhọn, nhiễm bẩn bề mặt, bề mặt cách điện kém và phân bố điện trường không đều.

Có thể nhìn thấy phóng điện một phần trực tiếp?

Thông thường, không thể nhìn thấy phóng điện cục bộ trong quá trình hoạt động bình thường. Nó thường được phát hiện thông qua các phương pháp đo lường điện, siêu âm hoặc chuyên dụng khác.

Có phải phóng điện cục bộ luôn đồng nghĩa với việc thiết bị bị hỏng ngay lập tức không?

Không. Hiện tượng phóng điện cục bộ có thể phát triển dần dần. Tuy nhiên, hoạt động PD kéo dài hoặc tăng lên cho thấy khả năng cách điện bị suy giảm và cần được đánh giá chuyên nghiệp.

Các cạnh sắc của thanh cái có thể gây phóng điện cục bộ như thế nào?

Các cạnh sắc nét tập trung điện trường. Trường cục bộ có thể trở nên mạnh hơn nhiều so với trường trung bình, cho phép phóng điện bắt đầu ở gần rìa.

Làm thế nào có thể giảm phóng điện một phần trong thiết bị đóng cắt?

Các biện pháp hiệu quả bao gồm cải thiện việc sản xuất vật liệu cách nhiệt, loại bỏ các gờ, kiểm soát độ sạch, ngăn ngừa độ ẩm, tối ưu hóa việc phân loại điện trường, cải thiện việc nối đất cho vỏ và thực hiện kiểm tra PD thường xuyên.

Phần kết luận

Phóng điện cục bộ trong thiết bị đóng cắt điện áp cao thường là kết quả của sự kết hợp các khuyết tật cách điện, nồng độ điện trường, vật liệu điện môi không đồng nhất, điều kiện môi trường và lão hóa lâu dài.

Các khoảng trống bên trong, tạp chất, cạnh thanh cái sắc nhọn, các hạt kim loại nổi, bề mặt bị nhiễm bẩn và bề mặt cách điện kém đều có thể tạo ra ứng suất điện cục bộ. Sau khi bắt đầu phóng điện, xói mòn hóa học và hư hỏng do nhiệt có thể dần dần làm suy yếu lớp cách nhiệt.

Thử nghiệm phóng điện cục bộ thường xuyên cung cấp thông tin có giá trị về tình trạng cách điện và giúp đội bảo trì xác định các vấn đề đang phát triển trước khi xảy ra sự cố lớn. Để chẩn đoán chính xác, việc xét nghiệm phải được thực hiện bởi các chuyên gia có trình độ, sử dụng thiết bị và quy trình được hiệu chuẩn phù hợp, phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành.

Được hỗ trợ bởi R&D nội bộ, sản xuất tại nhà máy được tiêu chuẩn hóa và hiệu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt, Weshine Electric tiếp tục cung cấp các thiết bị kiểm tra điện áp cao đáng tin cậy và các giải pháp kỹ thuật chuyên nghiệp để bảo trì trạm biến áp, kiểm tra lưới điện và chẩn đoán hệ thống điện công nghiệp trên toàn thế giới. Vui lòng liên hệ với nhóm của chúng tôi để có bảng dữ liệu kỹ thuật, giải pháp thử nghiệm tùy chỉnh và hỗ trợ bán buôn tại nhà máy.