Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 4

Wpływ pola magnetycznego na dynamikę wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych wysokiego napięcia

The influence of a magnetic field on the dynamics of partial discharges in high-voltage insulation systems

10.15199/48.2024.04.10

Marek FLORKOWSKI

nr katalogowy: 148110
10.15199/48.2024.04.10

Streszczenie

Niezawodność i czas pracy urządzeń elektrycznych mogą ograniczać zjawiska występujące w ich układach izolacyjnych pod wpływem pola elektrycznego. Jedną z metod, mającą szczególne znaczenie dla oceny stanu układów izolacyjnych średniego i wysokiego napięcia jest pomiar wyładowań niezupełnych (wnz). W artykule przedstawiono wpływ pola magnetycznego na dynamikę wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych wysokiego napięcia. Problem ten dotyczy zarówno układów izolacyjnych w obszarze przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej, urządzeń przemysłowych, jak i transportu m.in. samochodów elektrycznych, trakcji. We wszystkich urządzeniach elektroenergetycznych przewodzących prąd elektryczny, pole magnetyczne nakłada się na pole elektryczne, wpływając w ten sposób na mechanizm wyładowań niezupełnych. Zaobserwowano, że wzajemne oddziaływanie pól elektrycznego i magnetycznego wpływa na dynamikę wyładowań niezupełnych – w artykule przedstawiono przykłady równoległej i prostopadłej wzajemnej orientacji tych pól. Zastosowana fazowo-rozdzielcza technika pomiarowa wnz pozwala na określenie wpływu pola magnetycznego w modelowym układzie elektrod oraz wizualizację ilościową w postaci diagramów sekwencji czasowych impulsów wyładowań. Symulacja trajektorii elektronów w warunkach działania równoczesnego pola elektrycznego i magnetycznego uwidoczniła zmiany ich trajektorii w stosunku do obecności tylko pola elektrycznego. Przedstawione wyniki eksperymentów mogą przyczynić się do rozwoju metodyki pomiaru wyładowań niezupełnych przy superpozycji pól elektrycznego i magnetycznego, a także lepszego poznania podstawowych cech ich mechanizmów fizycznych. Zaobserwowany efekt modulacji dynamiki wyładowań niezupełnych dodatkowo przez pole magnetyczne, może mieć znaczenie w diagnostyce układów izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych.

Abstract

The reliability and operating time of electrical devices may be limited by phenomena that occur in their insulation systems under the influence of an electric field. One of the methods of particular importance for the assessment of the condition of medium- and high-voltage insulation systems is the measurement of partial discharges (PD). The article presents the influence of the magnetic field on the dynamics of partial discharges in high-voltage insulation systems. This problem applies to both insulation systems in the area of power transmission and distribution, industrial equipment, as well as transportation, e.g. electric vehicles, traction. In all electrically conductive power devices, the magnetic field is superimposed on the electric field, affecting the partial discharge mechanism. It was observed that the mutual interaction of electric and magnetic fields affects the dynamics of partial discharges - the article presents examples of parallel and perpendicular mutual orientation of these fields. The applied phaseresolved PD measurement technique allows for determining the influence of the magnetic field in the model electrode system and for quantitative visualization in the form of diagrams of time sequences of discharge pulses. Simulation of the electron trajectories under conditions of simultaneous electric and magnetic fields revealed changes in their trajectories in relation to the presence of only the electric field. The presented results of the experiments may contribute to the development of a methodology for measuring partial discharges with the superposition of electric and magnetic fields, as well as to a better understanding of the basic characteristics of their physical mechanisms. The observed effect of partial discharge dynamics modulation, additionally by the magnetic field, may be important in the diagnostics of insulation systems of power equipment.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Li C., Yang Y., Xu G., et. al., Insulating materials for realising carbon neutrality: Opportunities, remaining issues and challenges, High Voltage, 2022, 7, 610-632
[2] Lebey T., Rumi A., Cavallini A., Challenges for Electrical Insulation Systems in High Voltage Aviation Applications, IEEE Electrical Insul. Magazine, 2022, 38, 5-11
[3] Mazzanti G., Issues and Challenges for HVDC Extruded Cable Systems, Energies, 2021, 14, 4504
[4] Stone G.C., Culbert I., Boulter E.A, Dhirani H., Electrical Insulation for Rotating Machines, JohnWiley & Sons, NJ, USA, 2014.
[5] Cheng P., Kong H., Ma J., Jia L., Overview of Resilient Traction Power Supply Systems in Railways with Interconnected Microgrid, CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2021, 7, 1122-1132
[6] Kojima H., Hotta K., Iwata T., Hayakawa N., Yanagita N., Kato T., Rokunohe T., Okubo H, Influence of gap length on discharge channel propagation and breakdown mechanism in air, Proc. XVII Int. Symp. on High Voltage Eng., 2011
[7] Raether H., Electron Avalanches and Breakdown of Gases, Butterworths, London, UK, 1964
[8] Van Brunt R.J., Kulkarni S.V., Method for measuring the stochastic properties of corona and partial—discharge pulses, Rev. Sci. Instrum, 1989, 60, 3012–3023
[9] Rózga P., Wytrzymałość elektryczna transformatorowych płynów izolacyjnych na bazie estrów syntetycznych i naturalnych, Przegląd Elektrotechniczny, 2014, ISSN 0033- 2097, 90, 245-247.
[10] Florkowski M., Partial discharges in high-voltage insulating systems – mechanisms, processing, and analytics, ISBN 978- 83-66364-75-2, Wydawnictwa AGH, Kraków, 2020
[11] Raether H., Electron avalanches and breakdown of gases, Butterworths, London, (1964).
[12] Meek J.M., Craggs J.D., Electrical Breakdown of Gases, John Wiley and Sons, 1978.
[13] Jaroszewski M., Rózga P., Beroual A., Skowroński K., Wójciak M., Niektóre czynniki mające wpływ na napięcie przebicia biodegradowalnego oleju transformatorowego, Przegląd Elektrotechniczny, 2022, ISSN 0033-2097, 98, 293- 295
[14] Barzkar A., Ghassemi M., Components of Electrical Power Systems in More and All-Electric Aircraft: A Review, IEEE Trans. Transp. Electrif, 2022, 8, 4037–4053
[15] Rumi A., Marinelli J.G., Seri P., Kohler M., Cavallini A., Performance of corona resistant insulation for aerospace, Electr. Insul. Conf. (EIC), 2021, 22–25
[16] Xu H., Lowndes R., Cotton I., Power Capacity of High Voltage Cables for Future Electrical Aircraft, Proc. of the Electrical Insulation Conference (EIC), 2021.
[17] Wais S.I., Mohammed P.A., Influence of Magnetic Field on Characteristics of Corona Discharge in Wire-Cylinder Electrodes Configuration, Plasma, 2021, 4, 764–779
[18] Florkowski M., Effect of Magnetic Field on Partial Discharge Dynamics in Insulation Systems of Transportation Power Devices, IEEE Trans. Transportation Electrification, 2022, 8, 4678–4686
[19] Elabbas K., Experimental study of magnetic field effect on dc corona discharge in low vacuum, J. Inst. Eng. India. Ser. B, 2014, 95, 189–195
[20] Bhangaonkar, A.S., Kulkarni, S.V., Shevgaonkar, R.K. Study of the effects of alternating magnetic field on point-plane corona. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 2011, 18, 1813
[21] Amizhtan S.K., Amalanathan A.J., Sarathi R., Edin H., Taylor N., Impact of Magnetic Field on Corona Discharge Behavior of Mineral Oil Under AC Voltage, IEEE Trans. on Dielectr. Electri. Insul., 2022, 29, 1417-1424
[22] Du B.X., Su J.G., Han T, Effects of magnetic field on electrical tree growth in silicone rubber under repetitive pulse voltage, IEEE Trans. Diel. Electr. Insul, 2015, 22, 1785-1792
[23] Reid A.J., Hepburn D.M., Stewart B.G., The influence of external magnetic fields on the partial discharge characteristics of voids, Electr. Insul. Conf. 2013, 147–150
[24] Wang M.Y., Du B.X., Kong X.X., Li Z.L., Xiao M., Ma Y.W., Effects of Gradient Magnetic Field on Charge Behavior and Electrical Tree Growth in Epoxy Resin, IEEE Trans. Dielectr. Electri. Insul, 2021, 28, 1686–1693
[25] Martinez-Tarifa J.M., Rivas-Conde J., Robles G., Sanz-Feito J., Influence of leakage magnetic fields on partial discharge activity in power transformers, IEEE Trans. Diel. Electr. Insul., 2010, 17, 1724–1730
[26] Gao Y., Du B.X., Ma Z.L., Effect of Magnetic Field on Electrical Treeing Behavior in XLPE Cable Insulation, Proc, of Int. Symp. on Electrical Insulating Materials, Kyoto, Japan, 2011, 457–461
[27] Du B.X., Li Y.M., Wang M.Y., Liu Z.X., Han X.T., Zhang Y., Li J., Li Z.L., Sun H.L., Effects of magnetic field on surface flashover of polyimide film for superconducting magnet insulation, Proc, IEEE 3rd International Conference on Dielectrics (ICD), 2020, 97–100
[28] Florkowski M., Magnetic field modulated dynamics of partial discharges in defects of high voltage insulating materials, Nature Scientific Reports, 2022, 12, 22048
[29] Florkowski M., Effect of Interplay between Parallel and Perpendicular Magnetic and Electric Fields on Partial Discharges, Energies, 2023, 16, 4847
[30] Florkowska B., Włodek R., Florkowski M., Kuniewski M., Wysokie napięcie w elektroenergetyce – wybrane zagadnienia i obliczenia, ISBN 978-83-66364-35-6, Wydawnictwa AGH, Kraków, 2020
[31] COMSOL Multiphysics Users Guide 6.0, 2021

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-4 , nr katalogowy 148110 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-4 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-4

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma