Deelontlading opsporen

Voorkom dat het echt mis gaat

Bij hoogspanningsapplicaties is isolatie tussen geleiders van essentieel belang. Is deze isolatie slecht, verouderd of beschadigd, dan kunnen er deelontladingen optreden. Kleine ‘bliksemschichten’ die niet tot ionisatie van de lucht leiden en dus niet een volledige overslag zijn. Ondanks dat een deelontlading op zich geen direct probleem is, kunnen ze leiden tot grote problemen. Om te voorkomen dat deelontladingen uiteindelijk leiden tot een doorslag of vlamboog, is het raadzaam om te testen of er deelontladingen optreden.

Gedeeltelijke ontlading, deelontlading of partiële ontlading (PD: Partial Discharge) (PD) zijn elektrische ontladingen die de ruimte tussen twee geleidende elektroden niet volledig overbruggen. Dat wil zeggen dat het kortstondige ontladingen zijn die geen continue karakter hebben.

De ontlading kan plaatsvinden in een met gas gevulde holte in een vast isolatiemateriaal, in een gasbel in een vloeibare isolator of rond een elektrode in een gas. Wanneer gedeeltelijke ontlading optreedt in de lucht, wordt dit meestal corona genoemd.

Deelontlading wordt algemeen beschouwd als de belangrijkste oorzaak van langdurige degradatie en uiteindelijk falen van elektrische isolatie. Daarom is het meten ervan een standaardprocedure bij het testen in de fabriek van veel soorten hoogspanningsapparatuur. Bovendien kan gedeeltelijke ontladingsactiviteit worden getest of bewaakt op apparatuur die in bedrijf is om te waarschuwen voor dreigend falen van isolatie.

Hoe vindt deelontlading plaats?

Deelontlading treedt op in met gas gevulde holtes of defecten in de hoogspanningsisolatie. Deze defecten kunnen op verschillende manieren ontstaan:

• Tijdens de fabricage – Massieve isolatoren zijn ontworpen om een gelijkmatige verdeling van elektrische spanning tussen de geleidende elektroden te geven. In de praktijk kunnen er echter tijdens de fabricage defecten ontstaan die kleine holtes of leemtes in de isolatielaag veroorzaken.
• Installatie van apparatuur – Wanneer elektrische apparatuur in de fabriek wordt geassembleerd of op locatie wordt geïnstalleerd, kunnen er fouten worden gemaakt die de isolatie beschadigen en daardoor verzwakken, of die een verhoogde elektrische spanning over de isolatie veroorzaken.
• Veroudering en verslechtering – De meeste isolatiematerialen verslechteren op natuurlijke wijze naarmate ze ouder worden doordat interne chemische bindingen afbreken. Dit proces maakt de isolatie zwakker en minder duurzaam bij het weerstaan van de elektrische spanningen die optreden onder normale werkomstandigheden.
• Overbelasting tijdens gebruik – Een kortsluitingsfout of bliksemimpuls kan de isolatie onder spanning zetten door een foutstroom of een overspanning. Hoewel dergelijke gebeurtenissen meestal van korte duur zijn, kan de verhoogde elektrische spanning of opwarming door de stroomoverbelasting blijvende schade aan de isolatie veroorzaken.
• Schade tijdens bedrijf – Elektrische apparatuur kan tijdens bedrijf fysiek beschadigd raken door externe factoren. Ondergrondse kabels zijn bijzonder gevoelig voor schade door derden, bijvoorbeeld door wegwerkzaamheden in de buurt van ondergrondse kabels of het cumulatieve effect van zware voertuigen die eroverheen rijden.

PD bij normale werkspanningen

De defecten of holtes in vaste isolatie zijn meestal gevuld met een gas met een aanzienlijk lagere

doorslagsterkte dan het omringende materiaal (afbeelding 1). Bovendien is de permittiviteit van het gas altijd lager dan die van de vaste isolatie, waardoor de elektrische veldintensiteit in de holte hoger is dan die in het omringende diëlektricum. Daarom kan, onder de normale werkspanning van de isolatie, de spanning over de holte de doorslagwaarde overschrijden en een elektrische doorslag of gedeeltelijke ontlading in de holte veroorzaken.

Elektrische stroom wordt over het algemeen verzonden met een sinusvormige wisselstroom. De isolatie ondergaat een variërende elektrische spanning gedurende de stroomcyclus, met twee spanningspieken per cyclus. Dit creëert een zeer kenmerkende verdeling van ontladingsactiviteit. Het patroon, of de verdeling van de ontladingen in de stroomcyclus, is de sleutel tot het herkennen van PD en het onderscheiden van andere ongerelateerde geluidsbronnen en het identificeren van de bron. Het patroon wordt soms een PRPD (Phase Resolved Partial Discharge) of φ-q-n patroon genoemd.

Volgen van oppervlakken

Tracking is de vorming van een permanent geleidend pad over een isolatoroppervlak. Meestal is het geleidingspad het gevolg van degradatie van de isolatie. We zien dan zwarte sporen van verbrand isolatiemateriaal die veel koolstof bevatten (afbeelding 2).

Hoogspanningsinstallaties zijn vaak erg moeilijk schoon te maken en zijn daarom gevoelig voor vuil en verontreinigingen. In aanwezigheid van vocht geven deze verontreinigende lagen aanleiding tot lekstroom over het isolatoroppervlak. Dit verwarmt het oppervlak en veroorzaakt door verdamping een onderbreking in de vochtfilm. Er ontstaan grote potentiaalverschillen over de openingen in de vochtfilm en kleine vonken kunnen de openingen overbruggen. De hitte van de vonken veroorzaakt carbonisatie van de isolatie en leidt tot de vorming van permanente koolstofsporen op het oppervlak. Onder dergelijke omstandigheden zal dit proces zich na verloop van tijd ontwikkelen en uiteindelijk leiden tot flashover en volledige afbraak van de isolatie.

Dit fenomeen beperkt het gebruik van organische isolatoren in buitenomgevingen aanzienlijk. De snelheid van tracking hangt af van de structuur van de polymeren en kan aanzienlijk worden verminderd door de juiste vulstoffen aan het polymeer toe te voegen, die de carbonisatie remmen.

On-line en off-line

Gelukkig zijn er methoden om deze deelontladingen te detecteren voordat er een defect optreedt. Dit is waar on-line en off-line testen om de hoek komen kijken.

On-line testen worden uitgevoerd terwijl de apparatuur onder normale bedrijfsspanning staat. De tests worden uitgevoerd onder echte bedrijfsomstandigheden, bij een typische temperatuur, spanningsbelasting en trillingsniveaus. Het is een niet-destructieve test en er worden geen overspanningen gebruikt die een nadelige invloed kunnen hebben op de apparatuur. On-line testen zijn relatief goedkoop in vergelijking met off-line testen die een onderbreking van de service en productie vereisen. Voor kritieke faciliteiten die 24/7 in bedrijf zijn, is dit een ideale oplossing om de isolatieconditie vast te stellen.

Bij off-line deelontladingstesten wordt een circuit uitgeschakeld en vervolgens getest terwijl het onder spanning staat van een (meestal zeer lage frequentie) testset. Hiermee kan de gebruiker de reactie van bijvoorbeeld een kabelsysteem op een bepaald spanningsniveau meten, aangezien spanningen kunnen worden verhoogd tot veelvouden van de nominale spanning. Off-line testen worden ook vaak gebruikt bij acceptatietesten op nieuw geïnstalleerde kabels.

Waarmee

Vandentempel BV is een specialist op het gebied van deelontladingen. Zij leveren apparatuur van Baur, Fluke en IPEC waarmee deelontladingen zijn op te sporen. Voor on-line-testen zijn dat bijvoorbeeld de Acoustic Imagers van Fluke (afbeelding 3) die het ultrasone geluid dat ontstaat bij ontladingen niet alleen detecteert, maar ook een richting geeft. Op het beeldscherm is zo de plek van de ontlading exact te zien.

IPEC heeft instrumenten die ook het geluid van de ontlading kunnen detecteren. Afbeelding 4 toont een instrument die voorzien is van een ultrasoonmicrofoon, maar waarop externe sensoren aangesloten kunnen worden. Het instrument kan ook gebruikt worden om het afwijkende stroompatroon van deelontladingen in geleiders te herkennen. Kortom een uitgebreid handheld testsysteem voor on-line testen.

Voor het off-line testen van met name kabels heeft Vandentempel het testsysteem van Baur op de plank liggen. Dit bestaat uit de diagnosesysteem PD-TaD portable in combinatie met een VLF HV generator. Samen met de meetsoftware van Baur vormen ze een intelligent meetsysteem voor het opsporen van problemen in kabels.

Tot slot

Het periodiek testen op deelontladingen is essentieel voor een goede werking van een elektrische hoogspanningsinstallatie. De juiste kennis en het gebruik van goede meetapparatuur is daarbij van essentieel belang. Vandentempel kan u daarbij helpen.