Elektriske delutladninger er en vanlig årsak til havari i kraftkomponenter

I denne bloggteksten kan du lese om hva elektriske delutladninger er, fysikken bak det, og hvordan det kan måles.

Elektriske delutladninger (partial discharge, PD), ofte omtalt som «glimming», er en fellesbetegnelse på små gnister i form av elektronskred som kortslutter deler av den elektriske isolasjonen internt eller på overflaten av elektriske komponenter.

Over tid vil PD bryte ned isolasjonsmaterialer og kortslutte hele isolasjonssystemet – med havari som konsekvens. PD er en svært vanlig årsak til havari i mange kraftkomponenter som kabler, transformatorer, gjennomføringer, gassisolerte anlegg og roterende maskiner. Måling av PD med dedikerte måleinstrumenter benyttes derfor både i fabrikk til utvikling og sluttkontroll (factory acceptance test, FAT), og i drift som en viktig del av et tilstandskontrollregime for mange komponenter.

I kraftnettet med mer fornybar energi fra vind- og solparker, pumpekraft, og bruk av batterier, får kraftelektronikkomformere en stadig viktigere plass.

Spenningen fra omformere består av firkantpulser, med steile flanker som skifter polaritet mye raskere enn den tradisjonelle 50 Hz AC-spenningen. Dette gir flere utfordringer.

Større påkjenninger

Den elektriske påkjenningen som komponenter og isolasjonsmaterialer ser blir større, med mer PD som resultat. Akselererte levetidstester på materialer viser svært forkortet levetid under omformerpåkjenninger og mange havarier har vært forårsaket at dette.

Uheldigvis blir det vesentlig mer utfordrende å måle PD siden høyfrekvens støy fra omformere overlapper med frekvensområdet en bruker for tradisjonell PD-måling. Dette krever at nye metoder for deteksjon og karakterisering av PD utvikles, som blir spesielt viktig for å opprettholde leveringssikkerheten og sikre økonomisk drift i det nye elforsyningssystemet.

Fysikken bak PD

PD kan oppstå internt i f.eks. hulrom i isolasjonen, eksternt på overflaten, eller i luft slik man blant annet kan observerer ved spraking fra kraftlinjer i fuktig vær. Figur 1 viser typiske eksempler på hvor PD kan oppstå i et isolasjonssystem.

PD forårsakes av lokale elektronskred. For at PD skal oppstå må to forutsetninger være oppfylt.

For det første må det elektriske feltet være stort nok til at et elektronskred kan starte. En viktig egenskap for et isolasjonsmateriale er at det har høyere elektrisk holdfasthet enn luft.

I faste isolasjonsmaterialer som XLPE eller epoksy vil interne utladninger oppstå i luftfylte hulrom, mens i dielektriske væsker som transformatorolje, vil PD oppstå i bobler i væsken. Fordi den relative dielektriske permittiviteten (e_r) generelt er høyere i faste og flytende isolasjonsmaterialer (ε_r ~ 2-4) enn i luft (ε_r = 1) vil det elektriske feltet bli forsterket i slike hulrom.

Skarpe kanter, spisser og løse metallpartikler gir også en feltforsterking som kan gi opphav til PD. Derfor rundes og skjermes skarpe kanter med for eksempel toroider for å undertrykke glimming på høyspentlinjer.

Den andre startbetingelsen for PD er at det må være et fritt elektron tilgjengelig som kan starte elektronskredet.

Dette frie elektronet, som ikke er bundet til et molekyl, vil akselereres i det elektriske feltet og kollidere med molekyler i isolasjonsmaterialet. Om hastigheten er høy nok vil nye elektroner slås løs, som så videre vil akselereres og kollidere med nye molekyler i et skred som resulterer i en utladning.

Frie elektroner oppstår som følge av tilfeldig ionisering av molekyler enten fra termiske prosesser eller fra kosmisk stråling. Tilstedeværelsen av et startelektron i høyfeltområdet vil være stokastisk (tilfeldig), og sannsynligheten for at det oppstår vil øke med det påkjente volumet. For små hulrom er sannsynligheten lav og man kan derfor risikere å vente svært lenge før PD oppstår. Denne ventetiden omtales ofte som den statistiske ventetiden for PD. For å sikre at man oppdager defekter som kan gi PD er det derfor viktig at varigheten for en PD test ikke blir for kort.

Høy energi i elektroskred

Energien i elektronskred er høy, og når disse treffer eller vandrer langs overflaten til isolasjonen, vil de utvikle varme, lys, elektromagnetiske og mekaniske bølger, og kjemisk nedbrytning, slik som vist i Figur 2. Det er denne nedbrytingen av isolasjonsmaterialene som til slutt vil gi havari. Over tid brytes molekyler i gasser og væsker ned og overflaten til faste materialer karboniseres. Disse effektene vil så over tid påvirke og endre fremtredenen av PD-aktiviteten.

Måling av PD

I tidligere tider var man mest bekymret for hvordan gnister og PD ga radiostøy. Dette ble målt ved hjelp av radiomottakere og antenner i nærheten av kraftlinjer, men man oppdaget raskt at slike målinger var minst like relevant som diagnose for i finne isolasjonsfeil.

Måling og deteksjon av PD kan gjøres på flere måter, avhengig av komponenttype. Den vanligste metoden for PD-måling er å bruke en måleimpedans som måler strømpulser som oppstår i testoppsettet når det er PD i komponenten som testes.

Denne konvensjonelle metoden er beskrevet i IEC standard 60270. Her karakteriseres strømpulsene ved å integrere ladningen fra strømpulsen ved hjelp av en kondensator. Den spenningen strømpulsen gir på måleimpedansen kalles tilsynelatende ladning og oppgis i Coulomb. Metoden er begrenset opp til 1 MHz for å kunne integrere ladningen i strømpulsen og på grunn av demping i målekretsen. Digital signalbehandling benyttes til å karakterisere utladningsforekomsten.

PD-målingene presenteres ofte som tidsserier (trend) og i histogrammer som viser utladningsnivå, hyppighet og plassering på spenningsfase (phase resolved PD analysis, PRPDA), som vist i Figur 3. Med mønstergjenkjenning kan en identifisere ulike defekter, slik her under vist for typiske hulromsutladninger i en kabelavslutning og for korona fra en spiss i luft.

Konvensjonell måling benyttes blant annet på kraftkabler, endeavslutninger / skjøter, transformatorgjennomføringer og transformatorer. For enkeltkomponentene finnes det spesifikke standarder som angir hvordan målinger utføres, spenningsnivåer, varighet for måling og grenseverdier for PD-aktivitet.

Med denne metoden er det – med flere forbehold – mulig å kvantisere utladningsstørrelsen og kalibrere målinger mot en kjent ladningsstørrelse. Metoden benyttes derfor ofte som sluttkontroll i fabrikk (FAT), for å dokumentere at komponenten er tilfredsstiller kravene til PD.

Grensen for PD-nivå er ofte satt til å være 5 eller 10 pC, som gjerne er det laveste bakgrunnsnivået for støy som er praktisk mulig å oppnå i et industrielt testoppsett. Komponenten er dermed ikke garantert å være «PD-fri», men driftserfaring og eksperimenter viser at om PD-nivået er under den satte grensen og måletiden ikke er for kort er sannsynligheten for å oppnå ønsket levetid, typisk 30-40 år, svært høy.

Som nevnt har PD-aktivitet også andre effekter som kjemiske prosesser og utsending av lys, lyd og mekaniske bølger.

Bildet viser synlig lys i et overslag langs en overflate. Dette kan også benyttes til å detektere og karakterisere PD-aktivitet, men mulighetene avhenger mer av type isolasjonssystem og i hvilke omgivelser komponentene er plassert i.

Ekstern PD i luft vil ionisere luften og danne oson. Måling av oson brukes derfor ofte for generator-gruver i vannkraftanlegg der PD utvendig på spolehoder er en typisk feilmode og luftutskifting er lav slik at oson samler seg opp.

For luftlinjer kan UV og synlig lys fra korona detekteres. Korona kan også gi hørbar lyd og ultralyd. Det finnes kommersielt tilgjengelige kameraer som måler både UV og ultralyd og viser dette over et bilde av komponenten og kan benyttes til lokalisering.

I krafttransformatorer vil lyd (trykkbølger) forplante seg godt via isolervæske til tank. Med ultralyd-mikrofoner festet på kassen kan en ved hjelp triangulering finne hvor i transformatoren PD opptrer. Dette benyttes gjerne i kombinasjon med elektriske PD-målinger, som ikke gir informasjon om posisjonen til utladningene.

I væskeisolasjon kan PD også detekteres ved å måle konsentrasjon av såkalte feilgasser. Ulike gasser dannes ved at PD bryter ned bindinger i væskemolekyler mindre molekyler. Måling av oppløst gass (dissolved gas analysis, DGA) er en svært utbredt metode for å detektere PD i væskefylte krafttransformatorer.

Det er hovedsakelig hydrogen (H₂) og acetylen (C₂H₂) som dannes ved PD-aktivitet. For krafttransformatorer er det derfor flere måter å måle PD og utføre tilstandskontroll, og metodene benyttes gjerne i kombinasjon. En rutinemessig DGA-prøve som indikerer PD, kan være oppsatsen for videre og mer ressurskrevende elektriske og akustiske teknikker for karakterisere og lokalisere feil.

PD gir også høyfrekvente elektromagnetisk bølger i VHF og UHF-spekteret, dvs. fra noen MHz og oppover til GHz. Disse kan detekteres ved hjelp av antenner eller andre typer kapasitive og induktive koblere. Utfordringen med denne typen målinger er at de ikke er kvantifiser- og kalibrerbare på samme måte som ledningsbårne målinger iht. IEC 60270. Slike høyfrekvensteknikker er svært følsomme for sensorplassering og støy i omgivelser.

På gassisolerte (GIS) anlegg er UHF PD-måling derimot utbredt, siden kapslingen fungerer som en skjerm mot elektromagnetisk støy, og de har en veldefinert struktur med senterleder og fast avstand til sirkulære rørvegger. Ved å montere antenner/koblere på vinduer i rørveggen eller i rør-skjøter kan UHF PD-måling gjøres på en repeterbar og konsekvent måte.

Utfordringer

Som en del av den pågående elektrifiseringen benyttes nå kraftelektronikkomformere mer og mer i både strømnettet og energiproduksjon. Dette kan være i vind- og solparker, batterianlegg og ladeinfrastruktur, eller i fremdriftssystemer i transportsektoren.

Omformere leverer – som beskrevet ovenfor – ikke en ren sinusspenning, men et pulsbreddemodulert pulstog med to eller flere nivåer der stigetiden på spenningsflankene er flere tusen ganger raskere enn med 50 Hz sinus (< 1 µs vs. 4 ms), som vist i Figur 4. Dette gir dette hovedsakelig to utfordringer med tanke på PD.

Når spenningen øker raskt, kan den stige langt over tennspenningen for PD før et startelektron blir tilgjengelig. Denne overspenningen fører til kraftigere utladninger og mer ødeleggende PD-aktivitet. På grunn av treghet i skjermingseffekter fra romladning som opptrer rundt spisse kanter, kan man også oppleve at tennspenningen blir lavere enn ved sinus. Det er absolutt en mulighet for at komponenter som ikke har PD når de testes med sinusspenning vil ha PD-aktivitet når de blir påkjent med spenninger fra en omformer.

Den andre hovedutfordringen er at deteksjon av PD med konvensjonelle metoder (iht. IEC 60270) ikke er mulig når den påtrykte spenningen kommer fra en omformer. Konvensjonelle målinger er begrenset opp til 1 MHz båndbredde, og den raske stigetiden til spenningen resulterer i strømpulser oppfattes som PD eller støy. For å omgå dette må andre og mer ukonvensjonelle metoder benyttes, f.eks. UHF-målinger kombinert med filtrering, signalbehandling og maskinlæring.

Komponentene som utsettes for spenningspåkjenningene fra omformere PD-testes i dag i fabrikk (FAT) med ren sinuspåkjenning. Man har sett at PD starter ved lavere spenninger og at PD nivået er høyere med omformerspenning og at levetiden til materialene derfor kan være vesentlig kortere.

SINTEF jobber med metodeutvikling

Siden det ikke er mulig å måle PD på en standardisert eller kvantitativ måte under omformerpåkjenninger, så det er et klart behov for å utvikle testmetodikk som bedre avspeiler påkjenningen på komponenter under reelle omformerspenninger.  

SINTEF Energi jobber med metodeutvikling og forståelse av PD under kraftelektronikkpåkjenninger i flere forskningsprosjekter.

I KSP-prosjektet SwoP, finansiert av norske nett-/kraftselskaper, industri og Forskningsrådet, ser vi på PD-deteksjon og karakterisering under raske transienter, samt levetidsstudier for transformator- og motorisolasjon under raske transienter. I EU-prosjektet HE-ART er temaet PD-deteksjon og levetidsstudier i for isolasjonssystemer beregnet på elektriske flymotorer og svært raske stigetider (~ 100 V/ns).

Mange utfordringer som må løses

Måling av og tilstandskontroll med PD har vært benyttet i flere tiår, men selv med moden teknologi er det mange utfordringer knyttet til måleteknikk, kvantisering og tolkningskriterier som må løses for å gjøre det mer treffsikkert og øke nytteverdien. Siden PD er et stokastisk fenomen vil det være variasjon over tid, noe som gjør f.eks. levetidsprediksjon utfordrende.

Bruk av kraftelektronikkomformere kan gi økt påkjenning og forkortet levetid på isolasjonssystemer. Med økt bruk av omformere eller andre komponenter som gir steile spenningsflanker, f.eks. fra vakuumbrytere, så forventes flere havarier forårsaket av PD.

Nye målemetoder for PD og bedre teststandarder er påkrevd for å sikre leveringskvalitet i nye elkraftanlegg.

Denne teksten ble først publisert i Energiteknikk (nr 4/2025)

Kilder:

Measurement of Partial Discharges, Lars Lundgaard, 2008

Practical Partial Discharge Measurement on Electrical Equipment”, Greg C. Stone; Andrea Cavallini; Glenn Behrmann; Claudio Angelo Serafino, 2023