Diagnostica portatile per PD: condensatori a impulsi ceramici

Diagnostica portatile per PD: condensatori a impulsi ceramici

Astratto

La diagnostica portatile a impulsi PD consente di testare l'isolamento di giunzioni di cavi, boccole di trasformatori e quadri elettrici. Lo strumento immagazzina 0.4 J per impulso a 20 kV, limita la finestra di misurazione attorno a ciascun impulso e rileva difetti superiori a 10 pC. Questo articolo illustra le equazioni relative all'energia, alla carica e al rilevamento, le cinque modalità di guasto sul campo che causano letture errate e le regole sui condensatori che mantengono il limite inferiore di 5 pC.

1. introduzione

I guasti di isolamento iniziano dove si trova l'apparecchiatura. Un giunto di cavo in un tombino, una boccola di un trasformatore nel piazzale di una sottostazione e un quadro elettrico in un locale interrato sono tutti punti difficili da raggiungere. I tester di scariche parziali da laboratorio sono pesanti e alimentati dalla rete elettrica. Non possono essere trasportati in questi luoghi e il trasporto dell'apparecchiatura in laboratorio crea i tempi di inattività che il test dovrebbe evitare.

Uno strumento portatile a impulsi di scarica parziale colma questa lacuna. Funziona a batteria e applica impulsi ad alta tensione controllati all'oggetto da testare. Riporta sul posto un risultato di superamento, avviso o fallimento, e solo il componente in prova viene diseccitato.

I requisiti di progettazione sono severi. Lo strumento deve generare impulsi di nanosecondi da 10-30 kV da un pacco batterie. Deve emettere un numero sufficiente di impulsi per una misurazione del suono, sopprimere il rumore di una sottostazione elettrica attiva e rimanere sufficientemente semplice da essere affidabile per un tecnico sul campo.

Questo articolo illustra le equazioni di energia e carica, le cinque modalità di guasto sul campo che causano letture errate e le specifiche dei condensatori che mantengono un tester di dimensioni compatte, paragonabile a uno zaino, con la precisione di un laboratorio.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Energia immagazzinata per impulso di eccitazione

Ogni impulso di eccitazione preleva la sua energia dal banco ad alta tensione. L'energia immagazzinata è:

W_pulse = ½ · C · V²

dove C è la capacità del banco, V la tensione di carica e W_pulse l'energia erogata per impulso. Un banco da 20 kV e 2 nF immagazzina 0.4 J per impulso, quindi un'analisi di 1,000 impulsi richiede 400 J ai terminali del banco.

Un'efficienza del circuito di ricarica del 50-70% aumenta il consumo energetico della batteria a 0.6-0.8 kJ per punto di test. Una batteria da 200 Wh contiene 0.72 MJ, sufficienti per effettuare 900-1,200 punti di test prima di dover essere ricaricata.

La capacità del banco di batterie è la leva di progettazione. Un banco di batterie piccolo non è in grado di trasferire energia sufficiente in un difetto profondo. Un banco di batterie grande allunga il tempo di carica per impulso e riduce la durata della batteria. Il valore target di sensibilità viene determinato.

2.2 Tempo di ricarica, frequenza di ripetizione e probabilità di rilevamento

Tra un impulso e l'altro, il banco si ricarica dalla batteria tramite un convertitore CC-CC. Per un caricabatterie a potenza costante:

t_charge ≈ W_pulse / P_charge

dove W_pulse è l'energia per impulso, P_charge la potenza di uscita del caricabatterie e t_charge il tempo di ricarica. Con P_charge = 60 W e W_pulse = 0.4 J, il tempo di ricarica è di 6.7 ms. Ciò supporta 100 impulsi/s.

Il rilevamento segue le statistiche di un evento raro. Per una scarica che si verifica con probabilità p per impulso, la probabilità di vederla almeno una volta in N impulsi è:

P_detect = 1 − (1 − p)^N

dove N è il numero di impulsi e p la probabilità di scarica per impulso. Con p = 0.01, 300 impulsi danno una rilevazione del 95% e 1,000 impulsi danno una rilevazione del 99.99%. La frequenza di ripetizione è un moltiplicatore di sensibilità diretto entro un tempo di prova fisso.

2.3 Il livello di rilevamento di 5 pC in loco

Il rumore di fondo della catena di misura determina la carica minima rilevabile dallo strumento. L'eccitazione pulsata filtra la finestra temporale attorno a ciascun impulso e rifiuta il campo a 50 Hz della rete attiva. La carica apparente minima rilevabile è:

q_min ≈ v_noise / (Z_det · k_sens)

dove v_noise è la tensione di rumore della catena, Z_det l'impedenza di rilevamento e k_sens la sensibilità della catena in mV per pC. Con 0.5 mV di rumore di gate su 50 Ω e k_sens ≈ 0.1 mV/pC, q_min ≈ 5 pC.

Quel livello di soglia è adatto per le attività di screening, poiché la soglia di difetto critico nelle giunzioni dei cavi e negli interruttori è di 10-100 pC. Mantenere tale soglia richiede un ingresso silenzioso. Un condensatore di accoppiamento con una propria scarica parziale interna innalza la soglia e nasconde i piccoli difetti che il tester è progettato per rilevare.

2.4 Volume della banca dati e vera portabilità

Il banco ad alta tensione e il suo isolamento costituiscono la parte preponderante del peso e del volume dello strumento. Il volume del banco diminuisce all'aumentare della densità di energia:

V_bank = W_pulse / w_vol

dove w_vol è la densità di energia in J/cm³ e V_bank il volume attivo del banco. Un banco da 0.4 J a 0.45 J/cm³ necessita di meno di 1 cm³ di volume attivo. Un impregnato d'olio condensatore a film La batteria a 0.1 J/cm³ necessita di 4 cm³ più l'imballaggio riempito d'olio.

Su 1,000 scatti sul campo, quel divario viene colmato sia che lo strumento sia uno zaino o un carrello con ruote.

Figura 1 — La probabilità di rilevamento raggiunge il 95% a 300 impulsi e il 99.99% a 1000, con 0.4 J per impulso da un banco di 20 kV, 2 nF.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: l'interferenza a 50 Hz inonda la finestra aperta

Un team che stava testando un quadro elettrico sotto tensione ha segnalato una forte attività di scariche parziali (PD) su ogni pannello. Spostandosi su un bus non alimentato, l'attività è scomparsa. La finestra di misura aveva accoppiato un segnale a 50 Hz dal bus adiacente sotto tensione al rilevatore, e la soglia automatica ha interpretato l'interferenza come una scarica parziale.

Senza l'utilizzo di un sistema di gating, un'unità portatile installata in una sottostazione elettrica misura la sottostazione stessa anziché l'isolamento.

Punto critico 2: Il calo di carica della batteria modifica l'ampiezza dell'impulso a metà del sondaggio

Un prototipo iniziale assorbiva la piena potenza di carica senza interruzioni. La tensione della batteria è diminuita del 15% tra il primo e l'ultimo punto di test. L'energia immagazzinata diminuisce come V², quindi la perdita ha raggiunto il 30% e i difetti rilevati nelle prime fasi dell'indagine sono stati trascurati in seguito.

L'unità ha segnalato una giunzione pulita due ore dopo che la stessa giunzione aveva mostrato 40 pC. La squadra ha dato la colpa al cavo. La causa era lo stato di carica della batteria.

Punto critico 3: L'invecchiamento della banca dati riduce l'impulso erogato

Le unità di campo con batterie a film o elettrolitiche hanno mostrato un aumento della ESR e una diminuzione della capacità dopo un utilizzo intenso. Il tempo di erogazione si è esteso da 8 ns a 20 ns e l'energia dell'impulso si è ridotta di un quarto.

L'autotest misurava solo la tensione di carica e superava sempre il test. La sensibilità ai guasti si è ridotta del 30-50%, mentre il risultato riportato rimaneva verde.

Punto critico 4: Le lacune nelle competenze degli operatori trasformano le letture al limite in diagnosi errate

Questi strumenti sono gestiti da tecnici sul campo, e pochi di loro sono specialisti in malattie da depolarizzazione. Data una forma d'onda grezza e una soglia, un team ha disattivato un'articolazione sana, mentre un altro ha lasciato passare un'articolazione che invece presentava un tracciato anomalo.

Lo strumento deve essere responsabile dell'interpretazione. Risultati di superamento, avviso e fallimento, corredati da dati registrati, eliminano la variabilità dell'operatore dal sondaggio.

Punto critico 5: Le interferenze elettromagnetiche negli impianti creano difetti fantasma

Il funzionamento degli interruttori e la commutazione degli inverter producono transienti UHF che un rilevatore portatile registra come impulsi. Un'indagine ha segnalato molteplici fonti di scarica in una canalina portacavi che, a un'ispezione più approfondita, è risultata pulita.

Il discriminatore era stato tarato per un laboratorio, quindi le interferenze elettromagnetiche dell'impianto superavano la soglia. I falsi positivi minano la fiducia degli operatori più rapidamente di qualsiasi difetto non rilevato.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Mantenere costante l'energia dell'impulso durante la scarica della batteria.

Regolare la tensione di carica con un controllo ad anello chiuso. La tensione del banco, e con essa W_pulse = ½ · C · V², è quindi la stessa al 20% di stato di carica come al 100%.

Misura l'energia dell'impulso erogato per ogni scatto e metti in pausa il rilevamento se si discosta di oltre ±3%. Aggiungi una modalità a basso consumo energetico che riduce la frequenza di ripetizione e preserva l'ampiezza dell'impulso.

Strategia 2: Utilizzare contenitori in ceramica per una conservazione compatta e stabile

Specificare condensatori ceramici di Classe I a 0.45 J/cm³ per mantenere il banco sufficientemente compatto da poter essere trasportato. Scegliere componenti senza elettrolita e con una durata dell'impulso superiore a 10⁶ cicli, in modo che la forma dell'impulso rimanga invariata per tutta la durata di servizio.

Mantenere l'ESR al di sotto di 10 mΩ a 100 kHz e l'ESL sufficientemente basso per un fronte di 8 ns. HVR-BSP resistore a film spesso nella rete di smorzamento condivide lo stesso incapsulamento epossidico e la stessa classe di tensione.

Strategia 3: automatizzare il gating e la reiezione del rumore

Applica un filtro alla finestra temporale intorno a ciascun impulso di eccitazione. Confronta la finestra filtrata con una finestra di riferimento senza impulsi e segnala qualsiasi lettura il cui accoppiamento di fondo superi il limite.

Aggiungi test sulla forma dell'impulso per tempo di salita, durata e banda spettrale. Scarta i transitori di commutazione e i burst radio come non-PD prima che raggiungano la soglia logica. Registra il tasso di scarto per ogni punto di test, in modo che un tasso crescente venga visualizzato come avviso di qualità dei dati.

Una bassa induttanza resistore di campionamento HVRGHP nel percorso di rilevamento mantiene la forma dell'impulso misurato vicina all'impulso erogato.

Strategia 4: Inserire l'interpretazione nello strumento

Aggiungere una classificazione integrata con output di superamento, avviso e fallimento. Allegare la carica apparente, il conteggio degli impulsi e il pattern risolto in fase come prova per ogni decisione.

Richiedi una seconda misurazione dopo lo spostamento di un sensore o la riterminazione di un cavo prima di qualsiasi decisione di guasto. Memorizza le forme d'onda complete per ogni punto di test in modo che un esperto possa esaminarle in seguito.

Strategia 5: Calibrare in loco, ogni giorno di rilevamento

Integrare un calibratore che inietti un impulso noto di 10–50 pC nei terminali dell'oggetto di prova. Eseguirlo prima di ogni rilevamento e regolare il guadagno in modo che q_min venga verificato in loco.

Ripetere la calibrazione dopo ogni sostituzione di cavo, manipolazione del connettore o esposizione a temperature estreme. Includere il risultato in ogni report, in modo che i rilievi effettuati in giorni diversi e da operatori diversi rimangano comparabili.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G).	10 kV CC.	Hi-pot 1.5× per 60 s.
Capacità.	4700 pF ±20% (472M).	1 MHz, 1 V rms.
ESR a 1 MHz.	inferiore a 50 mΩ.	a 25 °C.
Induttanza di anello (accordo di Mi40).	al di sotto di 8 nH.	Distanza tra i terminali: 40 mm.
Resistenza di isolamento.	superiore a 10 GΩ a 500 V CC.	25 °C, 60% UR.
Intervallo di temperatura.	da -40 °C a +125 °C.	Serie IEC 60068-2.
Capacità di misurazione di dv/dt dell'impulso.	superiore a 50 kV/µs.	alla tensione nominale.

5. Condensatori HVC per banchi di impulsi PD portatili

La banca stabilisce le dimensioni dello strumento, l'accuratezza del rilevamento e la durata dell'unità. HVC costruisce N4700 Condensatori ceramici di Classe I da 1 kV a 150 kV in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, in Cina.

Sei parametri importanti in questo caso

• Densità energetica di 0.45 J/cm³. Questo valore è circa tre volte superiore a quello di un condensatore a film equivalente, quindi una batteria di impulsi da 20 kV occupa pochi centimetri cubi.
• Nessun elettrolita e nessuna usura. Durata dell'impulso superiore a 10⁶ impulsi senza decadimento capacitivo, quindi l'energia immagazzinata W = ½ · C · V² e la nitidezza dei bordi si mantengono per tutta la vita dello strumento.
• tanδ ≤ 0.1% e ESR inferiore a 10 mΩ a 100 kHz. La ricarica rapida a t_charge = W/P e una scarica precisa mantengono elevata la frequenza di ripetizione.
• TCC ±30 ppm/°C. La capacità del banco si mantiene stabile da una fredda mattina all'aperto a una calda sala quadri, quindi la calibrazione di messa in servizio rimane valida.
• Scarica parziale ≤ 5 pC alla tensione nominale. Il banco non introduce scariche interne nel canale di rilevamento, pertanto il limite di schermatura di 5 pC rimane valido.
• Riferimento incrociato ai marchi di primo livello. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e agli indicatori di affidabilità di Vishay HVCC, KEMET con elettrocateteri radiali e TDK UHV/FHV.

Consegna e supporto

Migliori HVCT8G e HVCT9G Questa serie comprende i pacchetti di pomelli e dischi utilizzati nelle testine portatili. I ricambi standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set completi in 6-10 settimane, rispetto alle 20-30 settimane di tempo di consegna standard per i marchi sopracitati.

Inviare la tensione del banco, la capacità, la sensibilità target e il profilo di rilevamento. HVC restituisce un foglio di corrispondenza con i codici dei componenti, i dati ESR e tanδ alla frequenza operativa e un kit di valutazione con due campioni entro cinque giorni lavorativi.

A diodo a recupero rapido Nel caricatore e un set di resistori abbinati nel percorso di smorzamento completano la catena di impulsi da un unico fornitore.

6. Domande frequenti

D1: Di quanta energia ha bisogno un tester PD portatile per impulso?

Ne consegue da W_pulse = ½ · C · V². Un banco da 20 kV, 2 nF immagazzina 0.4 J per impulso e 1,000 impulsi richiedono 400 J al banco. Un'efficienza di carica del 50-70% aumenta il consumo della batteria a 0.6-0.8 kJ per punto di test, che un pacco da 200 Wh copre per 900-1,200 punti di test.

D2: Perché l'ampiezza dell'impulso diminuisce durante un'indagine?

Poiché l'energia immagazzinata diminuisce come V², un calo di carica della batteria del 15% comporta una perdita del 30% dell'energia dell'impulso. I punti di test successivi rilevano quindi impulsi più piccoli e segnali di difetto più deboli. La regolazione della carica a circuito chiuso elimina questo effetto, e una modalità batteria che riduce la frequenza di ripetizione mantiene l'ampiezza.

D3: Come posso mantenere la soglia di rilevamento a 5 pC?

Il livello di fondo è dato da q_min ≈ v_noise / (Z_det · k_sens). Mantenere il rumore della catena di gate vicino a 0.5 mV e il percorso di accoppiamento privo di PD interni. Un condensatore di accoppiamento che si scarica all'interno del proprio dielettrico aggiunge carica al canale di misura e innalza il livello di fondo per l'intera misurazione.

D4: Quale dielettrico è più adatto a un banco di impulsi portatile?

Un dielettrico di Classe I come l'N4700. Mantiene la capacità a ±30 ppm/°C, rimane lineare con la tensione e mantiene tanδ al di sotto dello 0.1%. I dielettrici di Classe II perdono capacità sotto polarizzazione CC e con la temperatura, quindi l'energia immagazzinata varia con le condizioni meteorologiche e il risultato del rilevamento non è più ripetibile.

D5: Quanti impulsi sono necessari per un singolo punto di test?

Abbastanza per rendere elevata la probabilità di rilevamento. Con p = 0.01 per impulso, 300 impulsi danno una probabilità di rilevamento del 95% e 1,000 impulsi danno una probabilità del 99.99%. La frequenza di ripetizione determina quanti impulsi rientrano nel tempo di test in loco, quindi una batteria a ricarica rapida aumenta la probabilità di rilevamento senza una visita più lunga.

D6: Come faccio a sapere se la banca è invecchiata?

Misurare l'energia dell'impulso erogato per ogni impulso anziché la tensione di carica. L'invecchiamento si manifesta con un fronte più lungo e un'energia inferiore. Una batteria a film o elettrolitica può perdere il 30-50% della sua sensibilità ai guasti, mentre l'autotest di tensione risulta ancora positivo, e una batteria ceramica con una durata di 10⁶ impulsi evita questa deriva.

7. Riferimenti

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Requisiti di sicurezza per apparecchiature elettriche di misurazione, controllo e uso di laboratorio - Parte 1: Requisiti generaliGinevra: IEC, 2016.
2. IEC 61071:2017, Condensatori per elettronica di potenzaGinevra: IEC, 2017.
3. CEI 60384-8, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche — Parte 8: Condensatori fissi a dielettrico ceramico, Classe 1Ginevra: IEC, 2015.
4. CEI 60270, Tecniche di prova ad alta tensione — Misurazioni di scariche parzialiGinevra: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, e Maksimović, D., Fondamenti di elettronica di potenza, 3ª ed. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM e Robbins, WP, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3ª ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. A. Mariscotti e L. Vaccaro, Una bobina di Rogowski per applicazioni ad alta tensione., in 2008 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197
8. Linee guida per la misurazione delle scariche parziali secondo la norma IEC 60270, P. Mraz, S. Abdul Madhar, P. Treyer e U. Hammer (Haefely AG), TU Delft Repository, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
9. GB/T7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Tecniche di prova ad alta tensione – Misure di scariche parziali). Pechino: 中国标准出版社, 2018.
10. Condensatori ceramici ad alta tensione per l'elettronica di potenza, H. Laville (Exxelia), articolo tecnico EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/ .
11. Team di ingegneria applicativa HVC, Risorse tecniche sui condensatori ceramici ad alta tensione, https://www.hv-caps.com