고전압 절연 재료의 결함에서 부분 방전의 자기장 변조 역학

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22048(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 문서에서는 부분 방전(PD) 역학에 대한 자기장의 영향을 확인하기 위한 독창적인 측정 방법과 감지 접근 방식을 제시합니다. 적용 분야는 그리드 및 산업용 네트워크 장치의 절연 시스템과 고속철도, 전기 자동차 또는 기타 전기 항공기와 같은 신흥 부문을 의미합니다. 일반적으로 PD 측정은 전기장에서만 실행되지만 자기장과 전기장의 상호 작용은 PD의 역학에 영향을 미칩니다. 측정 기술을 사용하면 유전 물질의 기체 공극 및 코로나 점 평면 설정이라는 두 가지 대표적인 배열에서 PD에 대한 자기장의 영향을 정량적으로 감지할 수 있습니다. 두 구성 모두에서 측정한 결과 PD 강도가 증폭된 것으로 나타났습니다. 자기장에서 PD 진화의 정량적 비교는 이 논문에 나타난 새로운 측면입니다. 자기장 스위칭에서 얻은 위상 분해 이미지와 시간 순서 강도 다이어그램을 결합하면 이러한 영향을 시각화하고 정량적으로 결정할 수 있습니다. 이 효과는 하전 입자 궤적의 확장과 가속으로 인한 전자 에너지의 증폭에 기인합니다. 따라서 조사된 자기장의 영향은 PD 역학에 영향을 미치는 추가 요소로 인식될 수 있습니다.

그리드 및 산업 네트워크 장치의 전기 절연은 고속철도, 전기 자동차 또는 전기 항공기와 같은 신흥 부문뿐만 아니라 해당 애플리케이션의 전압 레벨 증가로 인해 점점 더 높은 스트레스에 노출됩니다. 본 논문의 초점은 부분 방전(PD) 역학에 대한 자기장의 영향을 결정하기 위한 독창적인 측정 방법과 감지 접근 방식에 있습니다. 일반적으로 PD 측정은 전기장에서만 실행되지만 자기장과 전기장의 상호 작용이 동작에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이는 새로운 연구 주제입니다. 고전압 전력 장비는 지속적으로 전기장과 자기장에 노출됩니다. 전력 변압기, 케이블, 가스 절연 시스템 및 라인, 변환기, 모터 및 발전기와 같은 다양한 그리드, 변전소, 철도 및 산업용 네트워크 장치의 절연 시스템도 발생하는 자기장에 노출된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 도체의 전류 흐름에 의해; 이는 AC 및 DC 사례를 모두 나타냅니다. 고전압 및 중전압 수준에서 전력 장비의 신뢰성은 에너지 전달 및 변환에 매우 중요하므로 고급 설계 기술과 진단 방법론이 개발되고 있습니다. 오늘날 고전압(HV) 절연 품질의 주요 지표 중 하나는 부분 방전 측정을 기반으로 합니다. 전기 절연체 내부나 표면에서 발견될 수 있는 결함과 관련된 다양한 형태의 방전이 있습니다. 이러한 맥락에서 일반적으로 표면 방전 또는 코로나 방전과 함께 보이드라고 불리는 작은 공기 함유물에서 내부 방전을 구별할 수 있습니다. 이러한 부분 방전 진화는 개시, 채널 형성 및 개발과 같은 스트리머 단계와 관련이 있습니다. 스트리머는 일반적으로 이온화된 가스의 마이크로채널로 해석되며 전기장 선을 따라 전파됩니다. 전기장에 자기장이 중첩되면 스트리머 궤도는 하전 입자에 작용하는 추가 로렌츠 힘으로 인해 변경됩니다. 이로 인해 복잡한 원형 운동이 발생합니다. 매우 높은 자기장(10T)에서 스트리머의 전파는 1에 나와 있습니다. 이 작업의 실험적 관찰은 자기장이 있는 상태에서 스트리머의 궤적을 추적하는 데 중점을 두었습니다. 교차된 전기장과 자기장에서의 표류 운동은 홀 각도에 의해 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 산란 없이 전자는 전기장과 자기장에 수직인 방향으로 사이클로이드 궤도를 따라 이동합니다. 각 산란 사건에서 전자 운동량이 변경되고 새로운 사이클로이드 경로가 선택됩니다. 연속적인 산란 현상을 연결하는 경로가 궤적을 형성하고 있습니다. 이미징 관찰을 통해 방전은 증가하는 자기장에서 각도가 증가하면서 옆으로 확실히 편향되는 것으로 나타났습니다. 압력이 높을수록 스트리머는 더 자주 분기되고 스트리머 전파 속도는 압력에 따라 감소합니다. 초고주파(UHF) 대역에서 측정된 점-평면 코로나에 대한 교류 자기장의 영향이 보고되었습니다. 코로나의 전력 스펙트럼 밀도는 15~40mm 범위의 간격에 대해 자기장(250~300가우스)이 있는 경우 650~800MHz의 UHF 대역에서 감소하는 것으로 나타났습니다. 저진공에서 DC 코로나 방전에 대한 자기장 연구는 3에 나와 있습니다. 방전 전류에 대한 자기장의 영향은 양극 코로나 방전보다는 음극 코로나 방전에서 가장 중요하다는 것이 입증되었습니다. 이온화 영역에 대한 자기장 침투로 인해 발생하는 자기적으로 강화된 음성 코로나는 4에 설명되어 있습니다. 영구자석이 집전극 근처보다 방전극 근처에 위치했을 때 방전 전류의 상대적인 증가가 훨씬 더 컸음을 알 수 있다. 코로나 개시 및 항복 전압은 5에서 관찰된 바와 같이 자기장의 존재에 의해 크게 영향을 받았습니다. 교차 자기장이 증가함에 따라 코로나 개시 전압과 항복 전압이 감소하는 것으로 나타났습니다. 코로나 원뿔면 구성에서 PD 위상 분해 패턴에 대한 DC 자기장의 영향은 6에서 논의되었습니다. 부분 방전 패턴의 크기와 위상 분포는 수직 자기장의 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 공극 내 부분 방전의 통계적 매개변수에 대한 외부 자기장(128mT)의 영향이 7에서 분석되었습니다. 자기장이 가해졌을 때와 없을 때의 PD 패턴에 가시적인 차이가 나타나는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 로렌츠 힘의 효과에만 기인할 수는 없습니다. PD 패턴은 오늘날 전력 장비의 고전압 절연 진단에 있어 최첨단 기술이기 때문에8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, 배경 자기와 같은 다른 요인의 영향 전압 고조파와 마찬가지로18 필드는 측정 결과를 올바르게 해석하는 데 필수적입니다. 플라즈마 전자 소스 및 기하학적 최적화의 매개변수에 대한 종방향 자기장의 영향은 19에 나와 있습니다. 자기장은 가스의 전기적 파괴 특성에 영향을 미쳤습니다. 교차장과 평행장 모두에서 아르곤과 질소에서 수행된 연구는 자기장에서 전자 수율의 의존성을 보여주었습니다.