Введение
В электротехнике деревообразование – это электрический процесс, предшествующий пробою в твердой изоляции. Это повреждающий процесс, вызванный частичными разрядами, который распространяется по напряженной диэлектрической изоляции, образуя путь, напоминающий ветви дерева. Деревообразование в твердой изоляции высоковольтных кабелей является распространенным механизмом пробоя и источником электрических неисправностей в подземных силовых кабелях.
Другие события и причины
Электрическое деревообразование впервые возникает и распространяется, когда сухой диэлектрический материал подвергается воздействию сильного и расходящегося электрического поля в течение длительного времени. Электрическое деревообразование наблюдается, начинаясь в точках, где примеси, газовые пустоты, механические дефекты или проводящие выступы вызывают чрезмерное напряжение электрического поля в небольших областях диэлектрика. Это может приводить к ионизации газов внутри пустот в объеме диэлектрика, создавая небольшие электрические разряды между стенками этих пустот. Примесь или дефект могут даже вызывать частичное разрушение самого твердого диэлектрика. Ультрафиолетовое излучение и озон, образующиеся при этих частичных разрядах (PD), затем взаимодействуют с близлежащим диэлектриком, разлагая его и еще больше снижая его изоляционные свойства. Газы часто выделяются в процессе разложения диэлектрика, образуя новые пустоты и трещины. Эти дефекты дополнительно ослабляют диэлектрическую прочность материала, усиливают электрическое напряжение и ускоряют процесс PD.
Водные и электрические деревья
В присутствии воды в полиэтиленовом диэлектрике, используемом в высоковольтных кабелях, проложенных в земле или погруженных в воду, может формироваться диффузная, частично проводящая трехмерная структура, напоминающая шлейф, называемая водным деревом. Известно, что шлейф состоит из плотной сети чрезвычайно мелких каналов, заполненных водой, которые определяются природной кристаллической структурой полимера. Отдельные каналы крайне сложно увидеть при оптическом увеличении, поэтому для их изучения обычно требуется использование сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Водные деревья зарождаются как микроскопическая область вблизи дефекта, а затем растут под воздействием постоянного высокого электрического поля и воды. Водные деревья могут вырасти до такой степени, что замкнут цепь между внешним слоем заземления и центральным высоковольтным проводником, что приводит к перераспределению напряжений в изоляции. Водные деревья обычно не представляют собой проблему надежности, если не способны инициировать электрическое дерево. Другой тип древовидной структуры, электрическое дерево, может формироваться как при наличии, так и при отсутствии воды. Оно также образуется в полиэтиленовом диэлектрике (а также во многих других твердых диэлектриках). Электрические деревья возникают там, где локальные увеличения объемного или поверхностного напряжения приводят к диэлектрическому пробою в небольшой области изоляции, что необратимо повреждает изолирующий материал. Дальнейший рост дерева происходит за счет дополнительных небольших электрических пробоев (так называемых частичных разрядов). Рост электрического дерева может ускоряться быстрыми изменениями напряжения, например, при коммутациях в энергосистеме. Кроме того, кабели, в которые подается высоковольтный постоянный ток, со временем также могут развивать электрические деревья, поскольку электрические заряды мигрируют в диэлектрик вблизи высоковольтного проводника. Область скопления заряда (называемая пространственным зарядом) усиливает электрическое поле в диэлектрике, стимулируя дальнейшее увеличение напряжений и инициируя электрические деревья в местах существующих концентраций напряжений. Поскольку само электрическое дерево обычно частично проводящее, его присутствие также увеличивает электрическое напряжение в области между деревом и противоположным проводником. В отличие от водных деревьев, отдельные каналы электрических деревьев больше и их легче увидеть. Древообразование является давним механизмом отказов высоковольтных кабелей с полимерной изоляцией, впервые о котором было сообщено в 1969 году. Аналогичным образом, двухмерные деревья могут образовываться вдоль поверхности диэлектрика, подверженного высоким напряжениям, или на поверхности диэлектрика, загрязненной пылью или минеральными солями. Со временем эти частично проводящие дорожки могут расти, пока не приведут к полному пробою диэлектрика. Электрическое отслеживание, иногда называемое сухой полосой, является типичным механизмом отказа для электрических изоляторов, подвергающихся воздействию солевого тумана в прибрежных районах. Разветвленные двухмерные и трехмерные структуры иногда называют фигурами Лихтенберга. Электрические деревья или "фигуры Лихтенберга" также возникают в высоковольтном оборудовании непосредственно перед пробоем. Анализ этих фигур Лихтенберга в изоляции при посмертном исследовании поврежденной изоляции может быть наиболее полезным для определения причины пробоя. Опытный инженер-электрик высокого напряжения может по направлению и типу деревьев и их ветвей определить основную причину пробоя и, возможно, найти ее источник. Поврежденные трансформаторы, высоковольтные кабели, вводы и другое оборудование можно эффективно исследовать таким образом: изоляцию разматывают (в случае бумажной изоляции) или нарезают на тонкие слои (в случае твердых изоляционных систем), результаты зарисовываются и фотографируются, формируя полезный архив процесса пробоя.
Типы электрических деревьев
Электрические деревья могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от различных типов их структуры. К ним относятся дендриты, ветвистый тип, кустовидный тип, шипы, цепочки, «бабочки» и вентилируемые деревья. Два наиболее часто встречающихся типа деревьев – это деревья типа «бабочка» и вентилируемые деревья. Деревья типа «бабочка» Деревья типа «бабочка» – это деревья, которые начинают расти изнутри диэлектрической изоляции и симметрично разрастаются к электродам. Поскольку деревья начинают расти внутри изоляции, у них нет свободного доступа к воздуху, необходимого для непрерывной поддержки частичных разрядов. Таким образом, рост этих деревьев происходит скачкообразно, поэтому деревья типа «бабочка» обычно не вырастают до такой длины, чтобы полностью перекрыть всю изоляцию между электродами, и, следовательно, не приводят к пробою изоляции. Вентилируемые деревья Вентилируемые деревья – это деревья, которые инициируются на границе раздела электрода и изоляции и растут к противоположному электроду. Доступ к свободному воздуху является очень важным фактором для роста вентилируемых деревьев. Эти деревья способны непрерывно расти, пока не достигнут достаточной длины, чтобы перекрыть электроды, что приводит к пробою изоляции.