Nu doar defectele de izolație ale transformatoarelor pot fi identificate într-un stadiu incipient prin testarea descărcărilor parțiale. Este vorba, de asemenea, de un instrument de analiză nedistructivă și predictivă, care avertizează asupra unei potențiale defecțiuni iminente a sistemului.
În timpul duratei lor de viață extinse, transformatoarele de mică putere sunt supuse la o gamă largă de solicitări. Ca urmare, izolația electrică – esențială pentru o funcționare fără defecțiuni – se poate deteriora. Deși se acordă cea mai mare atenție, în timpul producției pot apărea mici defecte, cavități, fisuri, incluziuni în dielectric sau neomogenități în materialele de izolare electrică. Dacă izolația se află între un sistem de electrozi cu tensiune aplicată, câmpul electric poate suprasolicita izolația la nivel local în aceste puncte slabe. Această situație poate duce la o descărcare parțială. Spre deosebire de descărcarea completă – o defecțiune frecvent vizibilă și sonoră – descărcările parțiale sunt întreruperi electrice intermediare. Acestea apar doar într-o parte a izolației și nu se observă, direct, aproape niciodată. Cu toate acestea, în timp, ele duc la o deteriorare din ce în ce mai mare a izolației, ceea ce poate determina o întrerupere completă.
Metode de diagnosticare pentru asigurarea calității
Metodele de diagnosticare dielectrică sunt esențiale pentru asigurarea calității și menținerea fiabilității operaționale a transformatoarelor de putere. Cea mai frecvent utilizată metodă de evaluare a integrității izolației este un test de înaltă tensiune sau de rezistență dielectrică (testul de potențial ridicat, testul hi-pot). În acest caz, se aplică o tensiune înaltă pe fiecare parte a izolației și se măsoară curentul de scurgere. Acest lucru permite utilizatorilor să identifice rapid dacă izolația este defectă. Dezavantajul testelor de înaltă tensiune este că tensiunea (sau curentul de scurgere rezultat) ar putea deteriora izolația și, prin urmare, ar putea avea un impact negativ asupra componentei. În plus, un test de înaltă tensiune poate detecta doar defectele care sunt deja prezente.
Pe de altă parte, testarea descărcărilor parțiale este o metodă nedistructivă de evaluare a stării de izolare a echipamentelor electrice. Această metodă fiabilă și foarte sensibilă detectează efectiv cele mai neînsemnate puncte vulnerabile din sistemul de izolație.
Descărcările parțiale apar, adesea, cu mult înainte ca un defect în izolație să devină evident. Prin urmare, măsurătorile sprijină evaluarea calității mostrei, precum și deciziile strategice privind repararea sau înlocuirea la timp a transformatorului înainte ca echipamentul să cedeze.
Cum funcționează testarea descărcărilor parțiale
Testele de descărcare parțială examinează distribuția sarcinii în interiorul unei secțiuni izolate în timpul unui ciclu de ionizare și permit o predicție mai precisă a posibilelor defecțiuni. Cu toate acestea, semnele care indică descărcarea parțială sunt, relativ, slabe. Pentru măsurare, se aplică o tensiune definită la secțiunea izolată. Aceasta “se întinde”, de asemenea, peste toate defectele. Odată ce tensiunea de inițiere Ui a fost atinsă (tensiunea la care începe ionizarea), defectele se ionizează, scurtcircuitându-se astfel. Atunci când tensiunea la nivelul defectului scade sub tensiunea de stingere Ue, ionizarea încetează. În timpul acestui proces, sarcina este redistribuită în interiorul secțiunii izolate. Acest lucru este cunoscut sub numele de descărcare parțială. Dacă tensiunea alternativă aplicată este suficient de mare, ciclul de descărcare parțială se repetă de mai multe ori. Activitatea de descărcare parțială crește în timp și poate duce la deteriorarea ireversibilă a sistemelor de izolație și, în cele din urmă, la ruperea dielectrică.
Sarcina totală redistribuită în interiorul secțiunii izolate este un indicator foarte bun al numărului de defecte și al probabilității de apariție a unei defecțiuni. Dacă limita pentru testul de descărcare parțială este stabilită la un nivel scăzut, cel mai probabil nu se va produce o defecțiune de înaltă tensiune pe toată durata de viață a componentei. Testul de descărcare parțială este utilizat pentru a determina capacitatea maximă de izolare la rupere dielectrică a componentei și capacitatea de izolare continuă pentru un scenariu realist de utilizare a componentei.
Testele și configurațiile de testare depind de tipul echipamentului care se măsoară și de standardul potrivit căruia urmează să se efectueze măsurarea descărcărilor parțiale.
Testarea descărcărilor parțiale
Figura 1: Echipament de testare pentru testarea descărcărilor parțiale cu cameră de testare, tester de descărcări parțiale și computer cu software de măsurare.
Pulse utilizează o procedură bazată pe standardele IEC 60664-1 și IEC 61800-5-1, care descriu și specifică un proces detaliat pentru efectuarea testelor de descărcare parțială. În conformitate cu IEC 60664-1, tensiunea de descărcare parțială trebuie să fie sinusoidală în timpul testelor de tensiune alternativă pentru verificarea capacității de izolare continuă a componentei. Cu toate acestea, în cazul în care trebuie confirmată o rezistență constantă a izolației în curent continuu, se utilizează o tensiune de descărcare parțială echivalentă în curent alternativ. Relația dintre tensiunea AC și tensiunea DC este: UPD = UDC/√2; unde UDC este tensiunea constantă de izolație DC, iar UPD este tensiunea echivalentă de descărcare parțială AC.
Pentru o evaluare mai riguroasă a riscului, IEC 60664-1 prescrie diferiți factori de multiplicare sau de siguranță. Aceștia includ multiplicatorul de corecție a mediului (temperatură, umiditate), factorul de histerezis (diferența dintre tensiunea de inițiere Ui și tensiunea de stingere Ue) și factorul de siguranță. La Pulse, rezultă o valoare de încercare globală de 1,875-UPD pentru tensiunea de descărcare parțială.
Figura 2: Curba de tensiune în timp pe durata testului de descărcare parțială.
Echipamentul de testare pentru testarea descărcărilor parțiale este prezentat în figura 1. Acesta este format dintr-o cameră de testare, testerul de descărcare parțială și un computer cu software-ul de măsurare pentru afișarea valorilor măsurate.
Testarea începe cu o tensiune sub tensiunea nominală de descărcare parțială UPD. Această tensiune este crescută liniar până la valoarea de încercare de 1,875 UPD și menținută timp de maximum 5 secunde. Tensiunea este apoi redusă liniar până la 1,5-UPD și menținută timp de maximum 15 secunde. În acest timp, se măsoară descărcarea parțială. Figura 2 prezintă curba tensiunii în timp.
În conformitate cu standardele IEC 60664-1 și IEC 61800-5-1, un transformator trece testul de descărcare parțială dacă sarcina capacităților de dispersie este mai mică de 10 pC în timpul perioadei de măsurare.
Figura 3 prezintă măsurarea sarcinii capacităților de dispersie în timpul testului de descărcare parțială. În figura 3 (sus), proba trece testul de descărcare parțială deoarece sarcina capacității de dispersie este mai mică de 10 pC în timpul perioadei de testare (a se vedea valoarea măsurată PD1 și PD2).
Figura 3: Rezultatele măsurătorilor a două teste de descărcare parțială.
Componenta prezentată în figura 3 (jos) nu trece testul de descărcare parțială deoarece sarcina capacității de dispersie este mult peste 10 pC în timpul perioadei de măsurare.
Testarea descărcării parțiale pentru asigurarea calității
În special în primii ani de funcționare, defectele de izolație apar disproporționat. Prin urmare, Pulse execută un test de descărcare parțială după producție ca test de ‘tip’ și de ‘acceptare’ pentru a detecta orice probleme de calitate care ar fi putut apărea în timpul producției.
Acest lucru se aplică, de exemplu, versiunilor destinate automobilelor pentru patru serii populare de transformatoare push-pull de la Pulse. Aceste transformatoare din portofoliul de produse IATF sunt asociate cu diverse drivere IC push-pull disponibile (Figura 4) și livrează până la 3W de putere cu izolații care variază de la funcționale la consolidate și cu o izolare galvanică de până la 5,5 kVrms.
Figura 4: Transformatoare push-pull.
Seria PH90/PM21 include, de asemenea, capsula Sidecar patentată de Pulse, care asigură o distanță de izolare de până la 12 mm într-o amprentă SMD compactă.
Aceste transformatoare calificate AEC-Q200 sunt utilizate în aplicații de comunicații, BMS și de drivere IGBT, pentru vehicule electrice și hibride.
Seria PH9185NL (Figura 5) este, totodată, testată pentru rezistența la oboseală. Transformatoarele cu izolație ridicată pentru surse de alimentare cu comutație oferă o izolație întărită pentru circuitele integrate de emisie-recepție compatibile RS-485 și RS-232. Tensiunea UPD a testului de descărcare parțială este de 1.000 Vrms; prin urmare, rezistența la oboseală (continuă) este, de asemenea, specificată ca fiind de 1.000 Vrms.
Figura 5: Transformator push-pull cu izolație întărită pentru driverele surselor de alimentare separate, creepage de 8 mm, izolație de 5 kVrms (1.000 Vrms continuu).
Rezumat
Testul de descărcare parțială este o modalitate excelentă de a identifica punctele vulnerabile critice ale izolației unei componente magnetice. Acesta indică potențiale probleme pe termen lung și poate fi, de asemenea, utilizat pentru a stabili o tensiune nominală maximă continuă. Se recomandă efectuarea de măsurători și analize de descărcare parțială nu numai pentru a confirma siguranța în funcționare după producție, ci și după punerea în funcțiune și – în funcție de tipul de echipament – pe toată durata de viață a acestuia.
Autori:
Jochen Neller, Technical Expert Inductors la Rutronik
Shreyankh Krishnamurthy, Field Application Engineer la Pulse
Rutronik | https://www.rutronik.com
