Décharge partielle – Wikipedia wiki

Déchange diélectrique localisée sous contrainte haute tension

En génie électrique, décharge partielle ( PD ) est une dégradation diélectrique localisée (DB) (qui ne fait pas complètement combler l’espace entre les deux conducteurs) d’une petite partie d’un système d’isolation électrique solide ou fluide (EI) sous contrainte haute tension (HV).
Bien qu’une décharge de corona (CD) soit généralement révélée par une lueur ou une décharge de brosse relativement stable (BD) dans l’air, les décharges partielles dans le système d’isolation solide ne sont pas visibles.

La MP peut se produire dans un milieu isolant gazeux, liquide ou solide. Il commence souvent dans les vides de gaz, tels que les vides dans l’isolation époxy solide ou les bulles dans l’huile de transformateur. La décharge partielle prolongée peut éroder l’isolation solide et finalement entraîner une rupture de l’isolation.

Mécanisme de décharge [ modifier ]]

Une décharge partielle dans l’isolation solide. Lorsqu’une étincelle saute l’écart dans le vide rempli de gaz, un petit courant circule dans les conducteurs, atténué par le réseau de diviseur de tension CX, CY, CZ en parallèle avec la capacité en vrac CB

La MP commence généralement dans des vides, des fissures ou des inclusions dans un diélectrique solide, à des interfaces conductrices diélectriques dans les diélectriques solides ou liquides, ou dans des bulles dans les diélectriques liquides. Étant donné que les PD sont limités à seulement une partie de l’isolation, les décharges ne font que partiellement combler la distance entre les électrodes. La MP peut également se produire le long de la frontière entre différents matériaux isolants.

Les décharges partielles dans un matériau isolant sont généralement initiées dans des vides remplis de gaz dans le diélectrique. Parce que la constante diélectrique du vide est considérablement inférieure à celle du diélectrique environnant, le champ électrique à travers le vide est significativement plus élevé que celui sur une distance équivalente de diélectrique. Si la contrainte de tension à travers le vide est augmentée au-dessus de la tension de création de la couronne (CIV) pour le gaz dans le vide, l’activité PD commencera dans le vide.

La MP peut également se produire le long de la surface des matériaux isolants solides si le champ électrique tangentiel de surface est suffisamment élevé pour provoquer une dégradation le long de la surface de l’isolateur. Ce phénomène se manifeste généralement sur les isolateurs de la ligne aérienne, en particulier sur les isolateurs contaminés pendant les jours d’humidité élevée. Les lignes aériennes utilisent l’air comme milieu d’isolation.

Circuit équivalent PD [ modifier ]]

Le circuit équivalent d’un diélectrique incorporant une cavité peut être modélisé comme un diviseur de tension capacitif parallèle avec un autre condensateur. Le condensateur supérieur du diviseur représente la combinaison parallèle des capacités en série avec le vide et le condensateur inférieur représente la capacité du vide. Le condensateur parallèle représente la capacité non indépendante restante de l’échantillon.

Courants de décharge partielle [ modifier ]]

Chaque fois que la décharge partielle est initiée, des impulsions de courant transitoire à haute fréquence apparaîtront et persisteront pour les nanosecondes à une microseconde, puis disparaîtront et réapparaissent à plusieurs reprises lorsque l’onde de tension passe par la traversée zéro. Le PD se produit près de la tension de crête à la fois positive et négative. Les impulsions PD sont faciles à mesurer en utilisant la méthode du transducteur de courant à haute fréquence (HFCT). Le transducteur actuel est serré autour du cas du boîtier du composant testé. La gravité de la MP est mesurée en mesurant l’intervalle de rafale entre la fin d’une rafale et le début de la prochaine rafale. À mesure que la panne d’isolation s’aggrave, l’intervalle de rafale raccourcira en raison de la rupture qui se produit à des tensions inférieures. Cet intervalle d’éclatement continuera de raccourcir jusqu’à ce qu’un point critique de 2 millisecondes soit atteint. À ce point de 2 ms, la décharge est très proche de la traversée zéro et échouera avec une décharge complète et une défaillance majeure. La méthode HFCT doit être utilisée en raison de la petite ampleur et de la courte durée de ces événements PD. La méthode HFCT est effectuée pendant que le composant testé reste sous tension et chargée. C’est complètement non intrusif. Une autre méthode de mesure de ces courants consiste à mettre une petite résistance de mesure de courant en série avec l’échantillon, puis à afficher la tension générée sur un oscilloscope via un câble coaxial apparié.

Lorsque la PD, l’arc ou l’étincelle se produit, les ondes électromagnétiques se propagent du site de défaut dans toutes les directions qui contactent le réservoir de transformateur et se déplacent vers la terre (câble de sol) où le HFCT est situé pour capturer n’importe quel EMI ou EMP dans le transformateur, le disjoncteur, PT , CT, câble HV, MCSG, LTC, LA, générateur, grands moteurs HV, etc. La détection des impulsions à haute fréquence identifiera l’existence de décharges partielles, d’arc ou d’étincelles. Une fois la PD ou l’arc détecté, l’étape suivante consiste à localiser la zone de défaut. En utilisant la méthode d’émission acoustique (AE), 4 capteurs AE ou plus sont placés sur la coquille du transformateur où les wavedata AE et HFCT sont collectés en même temps. Le filtrage de passe-bande est utilisé pour éliminer les interférences des bruits du système.

Systèmes de détection et de mesure des décharges [ modifier ]]

Avec la mesure de décharge partielle, l’état diélectrique de l’équipement haute tension peut être évalué et l’arborescence électrique dans l’isolation peut être détectée et localisée. La mesure partielle de la décharge peut localiser la partie endommagée d’un système isolé.

Les données recueillies lors des tests de décharge partielle sont comparées aux valeurs de mesure du même câble recueillies lors du test d’acceptation ou aux normes de contrôle de la qualité d’usine. Cela permet une classification simple et rapide de l’état diélectrique (nouveau, fortement âgé, défectueux) de l’appareil testé et des mesures de maintenance et de réparation appropriées peuvent être planifiées et organisées à l’avance.

La mesure partielle de la décharge est applicable aux câbles et accessoires avec divers matériaux d’isolation, tels que le câble en polyéthylène ou en papier couvert de plomb (PILC). La mesure partielle des débits est régulièrement effectuée pour évaluer l’état du système d’isolation des machines rotatives (moteurs et générateurs), transformateurs et appareils de commutation isolés en gaz.

Système de mesure partiel de la décharge [ modifier ]]

Un système de mesure de décharge partiel se compose essentiellement de:

• un câble ou un autre objet testé
• un condensateur de couplage de la conception d’inductance faible
• une alimentation haute tension avec un faible bruit de fond
• Connexions à haute tension
• un filtre à haute tension pour réduire le bruit de fond de l’alimentation
• un détecteur de décharge partielle
• Logiciel PC pour analyse

Un système de détection de décharge partielle pour l’équipement électrique électrique sous service et sous tension:

• un câble, un transformateur ou tout équipement d’alimentation MV / HV
• Bande passante de détection à haute fréquence (UHF) 300 MHz-1,5 GHz
• Bande passante de courant de courant à haute fréquence (HFCT) 500 kHz-50 MHz
• Microphone à ultrasons avec fréquence centrale 40 kHz
• Capteur de contact acoustique avec bande passante de détection 20 kHz – 300 kHz
• Capteur TEV ou condensateur de couplage 3 MHz-100 MHz
• Système d’analyse à résolution de phase pour comparer le calage des impulsions à la fréquence AC

Le principe de la mesure partielle des débits [ modifier ]]

Un certain nombre de schémas de détection de décharge et de méthodes de mesure partiel des débits ont été inventés car l’importance de la MP a été réalisée au début du siècle dernier. Les courants de décharge partiels ont tendance à être de courte durée et ont des temps de hausse dans le royaume nanoseconde. Sur un oscilloscope, les décharges apparaissent comme des événements rafraîchissants espacés qui se produisent au sommet de l’ewave sinueux. Les événements aléatoires sont des arcs ou des étincelles.
La façon habituelle de quantifier l’amplitude des décharges partielle est dans les picocoulombs. L’intensité de la décharge partielle est affichée en fonction du temps.

Une analyse automatique des réflectogrammes collectés lors de la mesure partielle de la décharge – en utilisant une méthode appelée réflectométrie du domaine temporel (TDR) – permet l’emplacement des irrégularités d’isolation. Ils sont affichés dans un format de cartographie de décharge partielle.

Une représentation liée à la phase des décharges partielles fournit des informations supplémentaires, utiles pour l’évaluation de l’appareil testé.

Configuration d’étalonnage [ modifier ]]

Le changement de charge réel qui se produit en raison d’un événement PD n’est pas directement mesurable, par conséquent, charge apparente est utilisé à la place. La charge apparente (q) d’un événement PD est la charge qui, si elle est injectée entre les terminaux de l’appareil testé, modifierait la tension à travers les bornes par un montant équivalent à l’événement PD. Cela peut être modélisé par l’équation:

${displayStyle q = c_ {b} delta (v_ {c})}$

La charge apparente n’est pas égale à la quantité réelle de charge changeante sur le site PD, mais peut être directement mesurée et calibrée. «Charge apparente» est généralement exprimée en picocoulombs.

Ceci est mesuré en calibrant la tension des pointes par rapport aux tensions obtenues à partir d’une unité d’étalonnage déchargée dans l’instrument de mesure. L’unité d’étalonnage est assez simple en fonctionnement et comprend simplement un générateur d’ondes carré en série avec un condensateur connecté à travers l’échantillon. Habituellement, ceux-ci sont déclenchés optiquement pour permettre l’étalonnage sans entrer dans une zone de haute tension dangereuse. Les calibrateurs sont généralement déconnectés lors des tests de décharge.

Méthodes de laboratoire [ modifier ]]

• Circuits de détection de PD à large bande

  Dans la détection de la bande large, l’impédance comprend généralement un circuit RLC à résonance parallèle à faible Q. Ce circuit a tendance à atténuer la tension excitante (généralement entre 50 et 60 Hz) et à amplifier la tension générée en raison des décharges.

• Circuits de détection à réglage (bande étroite)
• Méthodes de pont de décharge différentielle
• Méthodes acoustiques et ultrasoniques

Méthodes de test sur le terrain [ modifier ]]

Les mesures sur le terrain empêchent l’utilisation d’une cage Faraday et l’alimentation énergisante peut également être un compromis de l’idéal. Les mesures sur le terrain sont donc sujettes au bruit et peuvent par conséquent être moins sensibles. ^{[d’abord] [2]}

Les tests de PD de qualité d’usine sur le terrain nécessitent un équipement qui ne peut pas être facilement disponible, par conséquent, d’autres méthodes ont été développées pour une mesure sur le terrain qui, bien que non aussi sensibles ou précises que les mesures standardisées, sont beaucoup plus pratiques. Par nécessité, les mesures du champ doivent être rapides, sûres et simples si elles doivent être largement appliquées par les propriétaires et les opérateurs des actifs MV et HV.

Tensions de terre transitoires (TEV) sont des pics de tension induits à la surface de la travail métallique environnante. Les TEV ont été découverts pour la première fois en 1974 par le Dr John Reeves ^[3] de Technologie EA . Les TEV se produisent parce que la décharge partielle crée des pointes actuelles dans le conducteur et donc également dans le métal terrestre entourant le conducteur. Le Dr John Reeves a établi que les signaux TEV sont directement proportionnels à l’état de l’isolation pour tous les appareils de commutation du même type mesurés au même point. Les lectures TEV sont mesurées en DBMV. Les impulsions de TEV sont pleines de composants à haute fréquence et donc la ferronnerie terrestre présente une impédance considérable au sol. Par conséquent, des pointes de tension sont générées. Ceux-ci resteront sur la surface intérieure de la ferronnerie environnante (à une profondeur d’environ 0,5 µm en acier doux à 100 MHz) et se déroulent vers la surface extérieure partout où il y a une discontinuité électrique dans le métal. Il y a un effet secondaire par lequel les ondes électromagnétiques générées par la décharge partielle génèrent également des TEV sur la ferronnerie environnante – la ferronnerie environnante agissant comme une antenne. Les TEV sont un phénomène très pratique pour mesurer et détecter des décharges partielles car elles peuvent être détectées sans établir de connexion électrique ou enlever les panneaux. Bien que cette méthode puisse être utile pour détecter certains problèmes d’appareillage de commutation et de suivi de surface sur les composants internes, la sensibilité n’est pas susceptible d’être suffisante pour détecter les problèmes dans les systèmes de câbles diélectriques solides.

Ultrasonique La mesure repose sur le fait que la décharge partielle émettra des ondes sonores. La fréquence des émissions est le bruit “blanc” dans la nature et produit donc des ondes de structure à ultrasons à travers le composant électrique solide ou liquide rempli de liquide. En utilisant un capteur ultrasonique né à l’extérieur de l’élément à l’examen, une décharge partielle interne peut être détectée et située lorsque le capteur est placé le plus proche de la source.

Méthode HFCT Cette méthode est idéale pour détecter et déterminer la gravité de la MP par mesure d’intervalle d’éclatement. Plus les rafales se rapprochent de la «traversée de tension zéro», plus le défaut PD est grave et critique. L’emplacement de la zone de faille est accompli en utilisant AE décrit ci-dessus.

Champ électromagnétique La détection ramasse les ondes radio générées par la décharge partielle. Comme indiqué précédemment, les ondes radio peuvent générer des TEV sur la ferronnerie environnante. Des mesures plus sensibles, en particulier à des tensions plus élevées, peuvent être obtenues en utilisant des antennes UHF construites ou une antenne externe montée sur des entretoises isolantes dans le métal environnant.

Un coupleur directionnel La détection ramasse les signaux émanant d’une décharge partielle. Cette méthode est idéale pour les articulations et les accessoires, les capteurs étant situés sur les couches seminiques de l’articulation ou des accessoires. ^[4]

Effets de la décharge partielle dans les systèmes d’isolation [ modifier ]]

Une fois commencé, la MP provoque une détérioration progressive des matériaux isolants, entraînant finalement une dégradation électrique. Les effets de la MP dans les câbles et l’équipement haute tension peuvent être très graves, ce qui entraîne finalement une défaillance complète. L’effet cumulatif des décharges partiels dans les diélectriques solides est la formation de nombreux canaux de décharge en ramification partiellement, un processus appelé arborescence. Les événements de décharge répétitive provoquent une détérioration irréversible mécanique et chimique du matériau isolant. Les dommages sont causés par l’énergie dissipée par des électrons ou des ions à haute énergie, la lumière ultraviolette des décharges, l’ozone attaquant les parois vides et se fissurant lorsque les processus de dégradation chimique libèrent les gaz à haute pression. La transformation chimique du diélectrique a également tendance à augmenter la conductivité électrique du matériau diélectrique entourant les vides. Cela augmente la contrainte électrique dans la région de l’espace (jusqu’à présent) non affectée, accélérant le processus de panne. Un certain nombre de diélectriques inorganiques, y compris le verre, la porcelaine et le mica, sont nettement plus résistants aux dommages à la MP que les diélectriques organiques et polymères.

Dans les câbles à haute tension isolés en papier, les décharges partielles commencent comme de petits trous d’épingle pénétrant les enroulements en papier qui sont adjacents au conducteur électrique ou à la gaine externe. Au fur et à mesure que l’activité PD progresse, les décharges répétitives provoquent finalement des changements chimiques permanents au sein des couches papier affectées et imprégnant le liquide diélectrique. Au fil du temps, des arbres carbonisés partiellement conduits se forment. Cela exerce une plus grande contrainte sur l’isolation restante, conduisant à une croissance plus approfondie de la région endommagée, au chauffage résistif le long de l’arbre et à la carbonisation ultérieure (parfois appelée suivi ). Cela finit par se terminer dans la défaillance diélectrique complète du câble et, généralement, une explosion électrique.

Les décharges partielles dissipent l’énergie sous forme de chaleur, de son et de lumière. Le chauffage localisé à partir de PD peut provoquer une dégradation thermique de l’isolation. Bien que le niveau de chauffage PD soit généralement faible pour les fréquences de courant continu et de ligne électrique, il peut accélérer les défaillances dans des équipements haute fréquence haute tension. L’intégrité de l’isolation dans l’équipement haute tension peut être confirmée en surveillant les activités de MP qui se produisent à travers la durée de vie de l’équipement. Pour garantir la fiabilité de l’approvisionnement et la durabilité opérationnelle à long terme, la MP en équipement électrique à haute tension doit être surveillée étroitement avec les signaux d’alerte précoce pour l’inspection et l’entretien.

La MP peut généralement être évitée grâce à une conception minutieuse et à une sélection de matériaux. Dans un équipement critique à haute tension, l’intégrité de l’isolation est confirmée à l’aide d’un équipement de détection PD pendant le stade de fabrication ainsi que périodiquement grâce à la durée de vie utile de l’équipement. La prévention et la détection des PD sont essentielles pour assurer un fonctionnement fiable et à long terme d’équipements à haute tension utilisés par les services publics d’énergie électrique.

Surveillance des événements de sortie partiels dans les transformateurs et les réacteurs [ modifier ]]

En utilisant des coupleurs et capteurs UHF, des signaux de décharge partiels sont détectés et transportés vers une unité de contrôle principale où un processus de filtrage est appliqué pour rejeter l’interférence. L’amplitude et la fréquence des impulsions de décharge partielle UHF sont numérisées, analysées et traitées afin de générer une alarme de données de décharge partielle appropriée, un contrôle de supervision et une alarme d’acquisition de données (SCADA). Selon le fournisseur du système, les sorties de décharge partielle sont accessibles via un réseau local, via le modem ou même une visionneuse Web via.

Normes internationales et guides informatifs [ modifier ]]

• IEC 60060-2: 1989 Techniques de test à haute tension – Partie 2: Systèmes de mesure
• CEI 60270: 2000 / BS EN 60270: 2001 “Techniques de test à haute tension – Mesures de décharge partielle”
• CEI 61934: 2006 “Matériaux et systèmes isolants électriques – Mesure électrique de la PD sous un temps de montée court et des impulsions de tension répétitive”
• CEI 60664-4: 2007 “Coordination d’isolation pour l’équipement dans les systèmes à basse tension – Partie 4: Examen de la contrainte de tension à haute fréquence”
• CEI 60034-27: 2007 “Machines électriques rotatives – mesures de décharge partielle hors ligne sur l’isolation de l’enroulement du stator des machines électriques rotatives”
• IEEE STD 436 ™ -1991 (R2007) “Guide de l’IEEE pour effectuer des mesures Corona (décharge partielle) sur les transformateurs électroniques”
• IEEE 1434–2000 “Guide d’utilisation d’essai IEEE à la mesure des décharges partielles dans les machines rotatives”
• IEEE 400-2001 “Guide IEEE pour les tests sur le terrain et l’évaluation de l’isolation des systèmes de câbles d’alimentation blindés”
• PD IEC / TS 62478: 2016 “Techniques de test à haute tension – Mesure des décharges partielles par des méthodes électromagnétiques et acoustiques”

Voir également [ modifier ]]

Les références [ modifier ]]

Bibliographie [ modifier ]]

• Fondamentaux d’ingénierie haute tension, E.Kuffel, W.S. Zaengl, Pub. Pergamon Press. Première édition, 1992 ISBN 0-08-024213-8
• Diélectriques d’ingénierie, volume IIA, Propriétés électriques des matériaux isolants solides: structure moléculaire et comportement électrique, R. Bartnikas, R. M eichhorn, ASTM Special Technical Publication 783, ASTM, 1982
• Diélectriques d’ingénierie, Volume I, Corona Mesurement and Interpretation, R. Bartnikas, E. J. McMahon, ASTM Special Technical Publication 669, ASTM, 1979, ISBN 0-8031-0332-8
• Électricité aujourd’hui, mai 2009, page 28 – 29
• Pommerenke D., Strehl T., Heinrich R., Kalkner W., Schmidt F., Weißenberg W.: Discrimination entre la MP interne et d’autres impulsions utilisant des capteurs de couplage directionnels sur les systèmes de câbles à haute tension, les transactions IEEE sur les diélectriques et l’isolation électrique, Vol .6, n ° 6, 99 décembre, pp. 814–824

Liens externes [ modifier ]]