高電圧絶縁材料の欠陥における部分放電の磁場変調ダイナミクス

Jun 01, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22048 (2022) この記事を引用

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この論文では、部分放電 (PD) ダイナミクスに対する磁場の影響を決定するための独自の測定方法と検出アプローチを紹介します。 応用分野は、グリッドおよび産業ネットワークデバイスの両方の絶縁システムと、高速鉄道、電気自動車、またはより多くの電気航空機などの新興分野を指します。 従来、PD 測定は電場内でのみ実行されていましたが、磁場と電場の相互作用は PD のダイナミクスに影響を与えます。 この測定技術により、2 つの代表的な配置 (誘電体材料内のガス空隙内およびコロナ点面セットアップ) での PD に対する磁場の影響を定量的に検出することができました。 両方の構成での測定により、PD 強度の増幅が明らかになりました。 磁場中での PD の進化の定量的比較は、この論文で示された新しい側面です。 磁場切り替え時に得られる位相分解画像と時系列強度図を組み合わせることで、この影響を視覚化し、定量的に判断することが可能になりました。 この効果は、荷電粒子の軌道の延長と加速による電子エネルギーの増幅に起因すると考えられます。 したがって、調査された磁場の影響は、PD ダイナミクスに影響を与える追加の要素として認識される可能性があります。

グリッドおよび産業ネットワーク デバイスの電気絶縁、さらには高速鉄道、電気自動車、電動航空機などの新興セグメントは、これらの用途での電圧レベルの上昇により、ますます高いストレスにさらされています。 この論文の焦点は、部分放電 (PD) ダイナミクスに対する磁場の影響を判断するための独自の測定方法と検出アプローチにあります。 従来、PD測定は電場内でのみ実行されていましたが、磁場と電場の相互作用がその挙動に影響を与える可能性があるため、これは新しい研究トピックです。 高圧電力機器は常に電界と磁界の両方にさらされています。 変圧器、ケーブル、ガス絶縁システムおよびライン、コンバータ、モーター、発電機などのさまざまな送電網、変電所、鉄道および産業用ネットワーク デバイスの絶縁システムも、発生する磁場にさらされることに注意することが重要です。導体を流れる電流によって。 これは、AC と DC の両方の場合を指します。 高電圧および中電圧レベルでの電力機器の信頼性はエネルギーの伝送と変換にとって重要であるため、高度な設計技術と診断方法が開発されています。 今日の高電圧 (HV) 絶縁品質の重要な指標の 1 つは、部分放電の測定に基づいています。 電気絶縁体の内部または表面に見られる欠陥に関連したさまざまな形態の放電があります。 これに関連して、典型的には、表面放電またはコロナ放電とともに、ボイドと呼ばれる小さな空気混入物における内部放電を区別することができる。 この部分放電の進化は、開始、チャネル形成、発達などのストリーマ段階に関連しています。 ストリーマは通常、イオン化ガスのマイクロチャネルとして解釈され、電界線に沿って伝播します。 電気磁場に重畳された磁場が存在すると、荷電粒子に作用する追加のローレンツ力によりストリーマの軌道が変化します。 これにより、複雑な円運動が生じます。 非常に高い磁場 (10 T) におけるストリーマの伝播は、1 に示されています。 この研究における実験観察は、磁場の存在下でストリーマの軌道を追跡することに焦点を当てていました。 交差した電界と磁界におけるドリフト運動はホール角の影響を受けることが示されました。 電子は散乱することなく、電場と磁場に垂直な方向のサイクロイド軌道上を移動します。 散乱イベントごとに電子の運動量が変化し、新しいサイクロイド経路がとられます。 連続する散乱イベントを接続するパスが軌道を形成します。 画像観察により、磁場が増加すると、角度が増加するにつれて放電が明らかに横に偏向されることが示されました。 圧力が高くなると、ストリーマはより頻繁に分岐し、ストリーマの伝播速度は圧力とともに減少します。 超短波 (UHF) 帯域で測定される点面コロナに対する交流磁場の影響は、2 で報告されています。 コロナのパワースペクトル密度は、磁場（250～300ガウス）の存在下で650～800MHzのUHF帯域で、15～40mmの範囲のギャップで減少することが示されました。 低真空における DC コロナ放電の磁場の研究は、3 に示されています。 放電電流に対する磁場の影響は、正のコロナ放電よりも負のコロナ放電で最も顕著であることが実証されました。 イオン化領域への磁場の侵入によって生じる磁気的に強化された負のコロナについては、4 で説明されています。 放電電流の相対的な増加は、永久磁石が収集電極の近くよりも放電電極の近くに配置された場合にはるかに大きくなることがわかりました。 コロナの開始と破壊電圧は、5 で観察されたように磁場の存在によって大きく影響されました。 交差磁場が増加すると、コロナ開始電圧と破壊電圧が低下することがわかりました。 コロナコーン面構成における PD 位相分解パターンに対する DC 磁場の影響については、6 で議論されています。 部分放電パターンの大きさと位相の分布は垂直磁場によって影響を受けることが示されています。 ボイド内の部分放電の統計パラメータに対する外部磁場 (128 mT) の影響は、7 で分析されました。 磁場を印加した場合と印加しない場合では、PD パターンに目に見える違いが現れることがわかりました。 これらはローレンツ力の効果だけに起因するものではありません。 PD パターンは今日の電力機器の高電圧絶縁の診断において最先端のものであるため 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17、背景磁気などの他の要因の影響電圧高調波 18 と同様に、あらゆる測定結果を適切に解釈するには、磁場が不可欠です。 プラズマ電子源と形状の最適化のパラメーターに対する縦磁場の影響は、19 に示されています。 磁場はガス中での絶縁破壊特性に影響を与えます。 アルゴンと窒素中で交差磁場と平行磁場の両方で行われた調査では、磁場における電子収量の依存性が実証されました20。