Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение (Uimp): Полное техническое руководство

Типичный распределительный щит на 400 В на самом деле работает всего лишь при 400 вольтах. Тем не менее, каждый автоматический выключатель, установленный на этом щите, указывает значения выдерживаемого напряжения, которые кажутся абсурдно высокими: Uimp 8 кВ. Восемь тысяч вольт – умноженные на двадцать – как импульс напряжения длительностью 1.2 микросекунды. Нет, это не опечатка. Это действительно ощутимая практическая конструкция наших электрических систем: явные скорости изменений, вызванные молнией и аварийными ситуациями, настолько высоки и настолько серьезны, что защита электрооборудования должна быть выше нормальных рабочих уровней, безопасных для рабочих напряжений линий электропередачи, кабельных сетей и распределительного оборудования.

Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение (Uimp) обозначает максимальную электрическую прочность, которую должно выдерживать электрооборудование без пробоя изоляции, при этом соответствуя техническим характеристикам. Оно позволяет выбрать оборудование для вашего применения, от бытового автоматического выключателя среднего напряжения на 230 В до подводного трансформатора XLPE на 400 кВ, что позволяет пользователю соответствовать требованиям соответствующего стандарта. В каждой категории испытаний на диэлектрические свойства по стандарту IEC, от распределительных устройств MDF до мест соединения кабелей XLPE/HV на 765 кВ, оборудование должно работать с определенным профилем импульсного выдерживаемого напряжения. Если вы укажете в своей электрической схеме и проведете испытания с точностью до уровня этого определения, ожидайте немедленного выхода из строя электроприборов и оборудования при распространении импульсного перенапряжения по вашей установке.

Данная статья посвящена широкому техническому обзору: как стандарты IEC 60060-1 и IEC 60664-1 определяют импульсные выдерживаемые напряжения для испытаний изоляции, как IEC определяет категории перенапряжений и коррелированную форму испытательного сигнала, чем отличаются испытания на импульсное воздействие молнии от испытаний на импульсное воздействие при переключении, как схема Маркса создает импульсный сигнал. Мы освещаем современные причины отказов электротехнической продукции и современные процедуры лаборатории, работающей в соответствии с редакцией IEC 60060-1 2025 года.

Что такое номинальное импульсное выдерживаемое напряжение (Uimp)?

В соответствии со стандартом IEC 60664-1 и некоторыми протоколами для распределительных устройств, номинальное импульсное выдерживаемое напряжение (Uimp) эквивалентно пиковому значению импульса напряжения заданной формы и полярности, который оборудование должно было бы подать без повреждения изоляции при испытании в соответствии с указанными методами. Четыре слова в этой формулировке передают большую часть смысла: пиковое значение и заданная форма.

Пиковое значение Uimp указывается в киловольтах (кВп, а не RMS), а не в среднеквадратичном напряжении. Импульс 8 кВ означает, что электрический объект должен выдержать мгновенный скачок напряжения в 8000 вольт – сокращенно, а не в усредненном среднеквадратичном напряжении. Разница показательна при указании импульсного напряжения по сравнению с рабочим напряжением (Ue) или напряжением изоляции (Ui), которые оба указываются в среднеквадратичном значении.

В качестве формы, используемой для испытаний, используется импульсная форма молнии (IEC 60060-2), заданная с периодом нарастания 1.2 микросекунды до спада 1.2 кВ микросекунды. В то же время, стандартная форма электрического импульса IEC, используемая с периодом спада от пятидесяти микросекунд до половины всего импульса, используется для испытаний.

Почему напряжение Uimp значительно превышает рабочее напряжение

Uimp — это не то напряжение, при котором оборудование обычно работает. Переходные перенапряжения, вызванные молнией и коммутационными переходными процессами, существуют на пике напряжения системы, на 1 мкс — несколько миллисекунд ниже. Их пиковое значение значительно превышает номинальное напряжение системы. В цепи 230 В, подверженной удару молнии поблизости, на клеммах распределительного щита может наблюдаться переходный скачок напряжения 4 кВ или более — почти в 18 раз превышающий номинальное напряжение. Нормальная рабочая изоляция, рассчитанная на 230 В плюс запас прочности, не рассчитана на поглощение такого мгновенного напряжения.

Иерархия номинальных напряжений IEC это четко указывает:

• Ue (номинальное рабочее напряжение) — это нормальное системное напряжение, например, 400 В. Это напряжение, при котором оборудование выполняет свою номинальную коммутационную функцию.
• Ui (номинальное напряжение изоляции) — это заданное значение диэлектрической проницаемости переменного тока, например, 690 В. Это максимальное напряжение, которое рассчитано выдерживать оборудование (задающее напряжение для испытаний на долговечность). Испытательное напряжение, применяемое для 60-секундного диэлектрического испытания на промышленной частоте.
• Uimp (номинальное импульсное выдерживаемое напряжение) — пиковое значение, которое оборудование должно выдержать при переходном процессе, например, 8 кВ. Это подтверждается испытанием на выдерживание импульса длительностью 1.2/50 мкс.

Последовательность величин Ui и Uimp не случайна. Импульсная стойкость относится к способности выдерживать зазор — воздушный зазор — а не к способности выдерживать толщину основной изоляции. 3 мм воздуха, способные выдерживать 690 В переменного тока неограниченно долго, могут внезапно перегореть при пиковом напряжении 4,000 В, если геометрия зазора не была рассчитана на импульсные воздействия. Uimp описывает переходное напряжение, которое должна выдерживать геометрия зазора. Ui описывает постоянное напряжение, которое должна выдерживать твердая изоляция. Ни один из этих параметров не заменяет другой.

Координация изоляции — с использованием Uimp, соответствующего переходным процессам воздействия на строительной площадке, а именно IEC 60664-1 для низковольтного оборудования и IEC 60071-1 для систем передачи. Оба стандарта подбирают уровень воздействия при монтаже в соответствии с необходимым значением Uimp, а затем проверяют его с помощью классического испытания на импульсное выдерживаемое напряжение в соответствии с IEC 60060-1.

IEC против IEEE: Uimp, BIL и стандарты, регулирующие импульсные испытания.

В международных проектах для обозначения одного и того же явления встречаются два термина: U imp в стандартах IEC и BIL (Basic Impulse Level) в стандартах IEEE/Североамериканской системы. Оба измеряют способность устройства выдерживать определенный импульс молнии длительностью 1.2/50 мкс от выстрела к выстрелу. Фундаментальные физические принципы одинаковы; различия заключаются в процедурах тестирования и атмосферной коррекции.

Разница в эталонной температуре воздуха (20 °C для IEC против 30 °C для IEEE) имеет реальные практические последствия. Коэффициенты атмосферной коррекции масштабируют приложенное испытательное напряжение до стандартных условий, когда температура, давление или влажность в лаборатории отличаются от эталонных. Оборудование, проверенное при эталонной температуре 20 °C, может давать несколько иные коэффициенты коррекции при 30 °C. Это является источником явных расхождений при закупке компонентов в разных регионах, использующих разные стандарты. В международных проектах необходимо уточнять, какой стандарт применяется, и убедиться, что в отчетах о типовых испытаниях использован правильный эталонный показатель.

Иерархия стандартов IEC для импульсного выдерживаемого напряжения

В основе концепции U лежат три стандарта IEC, каждый из которых охватывает отдельный уровень системы:

• IEC 60664-1 (2020, изд. 3) — координация изоляции для оборудования в низковольтных системах до 1.000 В переменного тока / 1500 В постоянного тока. Содержит таблицы категорий перенапряжения, связывающие напряжение системы и положение установки с требуемым значением U-imp. Этот стандарт является ориентиром для проектировщика оборудования при выборе значения U-imp для автоматического выключателя, клеммной колодки или контактора.
• IEC 60060-1 (2025, изд. 4) – Методы испытаний высоковольтного оборудования, часть 1. В документе описаны форма сигнала 1.2/50 мкс, допуски и коэффициенты атмосферной коррекции. Установлены критерии прохождения/непрохождения испытаний на импульсную устойчивость в лабораторных условиях. Четвертое издание 2025 года расширяет область применения, включая оборудование сверхвысокого напряжения, и явно добавляет методы цифровой обработки сигналов. Именно на этот документ должна ссылаться испытательная лаборатория при разработке процедуры испытаний.
• IEC 62271-100 (2021) – Автоматические выключатели переменного тока. Определяет требуемые и рекомендуемые номинальные напряжения, выдерживаемые импульсами молнии. Для оборудования с напряжением более 72.5 кВ требуются утвержденные испытания на импульсное переключение наряду с испытаниями на импульс молнии.

Для ознакомления с подробным разделом о выдерживаемом напряжении применительно к высоковольтному оборудованию DEMIKS см.: Введение в выдерживаемое напряжение применительно к импульсам молнии.

Категории перенапряжений и значения Uimp в зависимости от напряжения системы

Стандарт IEC 60664-1 классифицирует низковольтные установки на четыре категории перенапряжения (OVC I-IV) в зависимости от расположения оборудования относительно точки ввода электроэнергии. Оборудование, расположенное ближе к источнику питания, получает больше энергии от ударов молнии и коммутации, поэтому для него предусмотрено более высокое значение Uimp. В глубине защищенной установки напряжение проявляется за стабилизирующими элементами, такими как сопротивление кабеля и устройства защиты от перенапряжений.

Для молниеотводов и устройств защиты от перенапряжений (SPD), описанных в Части 2, часто требуется напряжение до 8 кВ Uimp, чтобы обеспечить достаточный запас прочности оборудования и учесть вариации, вносимые поставщиками. Этот запас особенно важен для распределительных щитов, где предохранительные выключатели оборудования переключаются на распределительное устройство, и один распределительный щит часто питает гораздо более распределенные нагрузки, чем его эквивалентная система OVC IV.

Требования к U-образным кабелям среднего напряжения (IEC 62271-100)

Для главных распределительных устройств и основных фидеров к трансформаторам можно использовать автоматические выключатели среднего напряжения и распределительные устройства с диапазоном напряжения 10-12 кВ. Как правило, для высокого диапазона напряжения принято использовать автоматические выключатели промышленного класса, традиционный диапазон составляет 8 кВ и более – это превышает минимальное значение в 4 кВ для оборудования OVC III.

Для распределительных устройств и автоматических выключателей напряжением от 1 кВ и выше стандарт IEC 62271-100 определяет требуемое напряжение, выдерживаемое импульсом молнии (LIWV), в зависимости от номинального напряжения Ur. Значения основаны на многолетних данных полевых испытаний и статистике отказов, при этом для каждой категории напряжения установлены нижние и верхние пределы:

Для распределительных устройств на 11 кВ (класс номинального напряжения Ur=12 кВ, распространенный в распределительных сетях Великобритании и стран Содружества) требование LIWV составляет 75 кВ. Это означает, что оборудование, рассчитанное на 12 кВ, должно пройти испытание на пиковый импульс 75 кВ. В ходе этого испытания автоматический выключатель должен выдерживать один импульс переключения или удар молнии, более чем в шесть раз превышающий номинальный. Более высокие напряжения имеют более высокое соотношение, поскольку физически большие зазоры лучше выдерживают скачки напряжения.

Молниеносный импульс против импульса переключения: две формы волны, одна цель.

Помимо импульсных испытаний, обычно проверяется наличие активности частичных разрядов во время типовых испытаний, чтобы определить, выявили ли импульсные испытания напряжение изоляции ниже порога пробоя.

В стандарте IEC 60060-1 используются две схожие формы сигналов. Каждая из них представляет различные физические процессы в энергосистеме и применяется к различным категориям оборудования. Выбор стандартной формы сигнала, неприменимой к требованиям испытаний, является ошибкой в ​​спецификации.

Модель импульса молнии (LI) моделирует электрическую форму импульса, возникающего от молнии: быстрое повышение напряжения до ступенчатого значения, за которым следует длинный спад. Эта стандартная форма сигнала документирована как 1.2/50 мкс. Учитывая время фронта T1 = 1.2 мкс (30%), фактическое измерение фронта волны может составлять от 0.84 мкс до 1.56 мкс, и тест все равно будет пройден. Время T2 = 50 мкс (20%) до половины напряжения означает, что фактическое время 40–60 мкс также будет соответствовать требованиям. Эти испытания необходимы практически для всех высоковольтных устройств, от вакуумных распределительных устройств на 400 В до трансформаторных изоляторов на 765 кВ.

Импульсный импульс (ИИ) воспроизводит переходные перенапряжения, возникающие при переключении в энергосистеме: включение длинной линии электропередачи, обрыв конденсаторной батареи или открытие высоковольтного выключателя под нагрузкой. Все эти события вызывают всплеск с меньшей задержкой и большей длительностью по сравнению с быстрым переходным импульсом молнии. Типичная форма импульса переключения 250/2500 мкс – время фронта 250 мкс (20%), время до половины значения 2,500 с (60%). Поскольку переходные процессы при переключении могут значительно варьироваться, для формы импульса переключения используются более широкие диапазоны допуска.

При номинальном напряжении выше примерно 72.5 кВ стандарт IEC 62271-100 предписывает использование испытаний на устойчивость к молнии и импульсным разрядам. Это кажется нелогичным: напряжение пробоя превышает напряжение, возникающее при воздействии импульса молнии, для длинных внешних воздушных зазоров (воздушные линии электропередачи, наружные изоляторы опор, длинные пути утечки на наружном оборудовании) при воздействии импульса разряда с более медленным нарастанием. Это объясняет, почему в длинных воздушных зазорах, где распространение разряда занимает время для полного развития, напряжение пробоя ниже при более медленном импульсе разряда, чем при воздействии импульса молнии. Форма сигнала 250/2500 мкс подходит для этих испытаний, поскольку она имитирует время, необходимое для полного процесса перехода, в то время как форма сигнала 1.2/50 мкс этого не делает.

Как работает испытание на импульсное выдерживаемое напряжение: пошаговая инструкция

Согласно стандарту IEC 60060-1, испытание на импульсное выдерживаемое напряжение – при условии его правильного проведения – требует сочетания всех деталей контрольных испытаний: подтверждения корректности формы сигнала, атмосферной коррекции и последовательности импульсных воздействий.

Этап 1: Подготовка к тестированию

1. Откалибруйте измерительную систему. Цифровую измерительную систему и делитель напряжения необходимо проверять на точность и повторно калибровать в соответствии с требованиями IEC 60060-2 перед каждым испытанием. Оборудование, выходящее за пределы допустимых отклонений, может маскировать неисправности или приводить к нежелательному браку.
2. Атмосферная коррекция. Стандарт IEC 60060-1 предписывает регистрировать температуру, давление и абсолютную влажность перед каждой сессией испытаний. Исходя из коэффициента атмосферной коррекции k, запрограммированное значение Uimp – с использованием методов IEC 60060-2 для умножения на k – может быть выше фактического напряжения, используемого для выстрелов. Результат может составлять несколько процентов разницы при испытаниях на большой высоте или во влажных условиях.
3. Проверьте образец. Обратите внимание на загрязнение поверхности, влажность и механические повреждения. Результаты, полученные на загрязненных образцах, неточно отражают способность оборудования выдерживать импульсные воздействия и могут быть забракованы.
4. Выполните проверку формы сигнала при пониженном напряжении. Приложите к образцу импульс, составляющий 50-75% от заданного значения Uimp, и запишите точки T1 и T2 формы сигнала (IEC 60060-1). Убедитесь, что T1 находится в пределах (1.2 мкс 30%), а T2 — в пределах (50 мкс 20%) от ожидаемого значения согласно IEC 60060-1. После подтверждения проверки формы сигнала при пониженном напряжении увеличьте напряжение до полного уровня для последующих импульсных воздействий.

Этап 2: Последовательность испытаний на прочность.

Базовый протокол испытаний предусматривает серию импульсных воздействий на заданный Uimp:

• Количество импульсов: Типичный диапазон выдерживания импульсов обычно составляет 15 импульсов на каждую полярность для типовых испытаний, согласно стандартным указаниям по изделию. Обычно при стандартных испытаниях при более низком напряжении используется меньшее количество импульсов для обеспечения стабильности качества продукции без повторного выполнения полного протокола типовых испытаний.
• Последовательность полярности: применяются положительные и отрицательные импульсы. Некоторые конфигурации изоляции по-разному реагируют на полярность: для асимметричной электродной системы, выдерживающей положительные импульсы напряжением 75 кВ, отрицательные импульсы могут вызвать пробой при более низком напряжении.
• Интервал между выстрелами: интервал не менее 1 секунды между подачами импульсов. Это необходимо, поскольку к этому времени кратковременная ионизация в воздушном зазоре ослабевает за счет распада.
• Критерии оценки: Разряд разрушительного уникального оружия, вспышка или перфорация, возможность провести испытание, определить место прокола. Вся деградация изоляции должна рассматриваться как деградация теста.

Тестирование импульсов с прерывистой волной

В дополнение к указанным полноволновым испытаниям, некоторые стандарты на продукцию (чаще всего IEC 60076-4 для силовых трансформаторов и ряд протоколов IEEE BIL) также требуют испытания на прерывистую волну. Волна поднимается до заданного уровня перенапряжения (обычно около 1.1-1.15 от пикового значения полноволнового испытания), после чего искровой разрядник «прерывает» волну, резко обрывая напряжение в течение 2–6 мкс. Прерывистая форма волны создает отчетливую картину напряжений в изоляции обмотки, которая иногда позволяет выявить слабые места, менее очевидные при полноволновом испытании.

Для проверки межвитковых изоляционных свойств обмоток двигателей и трансформаторов, тестер межвиткового ударного напряжения DEMIKS использует специальный импульс, позволяющий выявить повреждения межвитковой изоляции на ранней стадии испытания обмотки. Он работает в сочетании с испытаниями на ударную прочность оборудования в целом.

Внутри генератора импульсных напряжений: от схемы Маркса до измерений.

Получить сигнал длительностью 1.2/50 мкс при испытательных напряжениях 40 кВ и 7200 кВ непосредственно от одного высоковольтного источника питания с любой схемой невозможно. Решение, восходящее к изобретению Эрвином Марксом в 1923 году схемы, которая до сих пор доминирует в конструкции традиционных генераторов импульсного напряжения, заключается в параллельной зарядке нескольких конденсаторов, а затем их последовательной разрядке через каскад искровых разрядников.

Как работает схема Маркса

Схема Маркса состоит из n одинаковых каскадов. Каждый каскад имеет конденсатор C, резистор для зарядки и искровой разрядник. Источник постоянного тока высокого напряжения одновременно заряжает все конденсаторы до напряжения Vc во время фазы зарядки.

В резисторных системах все элементы соединены параллельно, но каскады разделены.

Когда разряд воспламеняет начальный искровой разрядник, начинается мгновенная цепная реакция; напряжение на первом конденсаторе суммируется с уже имеющимся зарядом на втором, создавая напряжение 2 Вс на втором искровом разряднике. Это приводит к короткому замыканию разрядника и потоку электронов, поскольку третий конденсатор получает 3 Вс. Эта каскадная реакция протекает через все n ступеней за нс, и конденсаторы фактически соединяются последовательно, так что выходное напряжение составляет нВс.

Формирование формы сигнала: резисторы на входе и выходе.

Форма 1.2/50 мкс определяется двумя RC-цепями вне блока Маркса:

• Передний резистор (Rf) — это резистор, расположенный между генератором и исследуемым объектом. Этот элемент схемы отвечает за управление временем нарастания (T1). Увеличение Rf замедляет нарастание, уменьшение Rf делает его более крутым.
• Резистор на выходе (Rt) – подключается параллельно исследуемому объекту. Задает время затухания (T2). Чем больше значение Rt, тем больше времени затрачивается на затухание.

Производитель генератора выбирает значения Rf и Rt для получения желаемой формы сигнала в пределах допустимых диапазонов IEC 60060-1. Изменения емкости тестируемого объекта, например, тестирование короткого отрезка кабеля по сравнению с тестированием большого трансформаторного изолятора, приведут к различной эффективной форме сигнала, поэтому может потребоваться точная настройка и регулировка резисторов на входе/выходе, чтобы оставаться в пределах допустимых диапазонов.

Измерительная цепочка

Для измерения тока короткого замыкания напряжением в сто киловольт, длительностью в микросекунды, требуется специальная измерительная цепочка, состоящая из трех основных компонентов:

1. Делитель импульсного напряжения высокого напряжения делит импульсное напряжение в точно определенном соотношении, например, 1000:1 или больше, так что измерительный прибор воспринимает сигнал в приемлемом диапазоне. DEMIKS Делители напряжения переменного/постоянного тока Доступны в соотношениях и с точностью, указанной в стандарте IEC 60060-2. При наличии достаточной полосы пропускания делитель точно воспроизводит фронт импульса (например, время фронта 1.2 мкс).
2. Коаксиальный кабель с низкими потерями передает масштабированный сигнал с выхода делителя на записывающее устройство без искажения формы волны. Длина и импеданс кабеля согласованы с импедансом выхода делителя.
3. Цифровой импульсный регистратор — записывает сигналы с временным разрешением в наносекунды для последующей записи и анализа. Стандарт IEEE Std 1122-2024 определяет полосу пропускания, частоту дискретизации и общую точность, которые должен использовать импульсный регистратор, чтобы результаты измерений импульсов могли быть использованы в достоверных отчетах об испытаниях.

В цифровую эпоху комбинация калиброванного делителя напряжения и высокоскоростного цифрового регистратора заменила аналоговый вольтметр в системах измерения импульсов, что стало возможным благодаря стандарту IEC 60060-1:2025, предусматривающему запись активности коронной ионизации наряду с основной формой сигнала, что дает дополнительную информацию о предпробивной активности.

Диэлектрическая стойкость против импульсной стойкости: какой тест что доказывает?

Как испытание на диэлектрическую прочность (HIPT), так и испытание на импульсную прочность оценивают изоляционные свойства системы изоляции, но они создают условия напряжения по-разному, поэтому выявляют разные виды отказов. Путаница между этими двумя методами приводит к неоптимальному проектированию оборудования, которое не соответствует требованиям ни одного, ни обоих испытаний; глубокое понимание того, что применяется в каждом из испытаний, в свою очередь, позволит определить проектные спецификации и решить, какое из испытаний является критически важным.

Почему сдача одного теста не означает сдачу другого

Напряжение испытания на диэлектрическую прочность по величине практически идентично значению Uimp для низковольтного оборудования (приблизительно 2Ui + 1,000 В, IEC 60947-1). Например, для автоматического выключателя с номинальным напряжением Ui на 690 В напряжение испытания на диэлектрическую прочность составляет приблизительно 2,380 В переменного тока; это значительно ниже пикового значения Uimp в 8,000 В. Различие в напряжении означает, что два испытания оценивают совершенно разные аспекты характеристик изоляции: одно исследует основную изоляцию при медленно возрастающем напряжении; другое исследует геометрию зазора в целевом объекте при мгновенном превышении напряжения.

Простое прохождение 60-секундного испытания на диэлектрическое сопротивление для оборудования с определенным воздушным зазором не означает, что оборудование пройдет испытание на диэлектрическое сопротивление при воздействии импульсного перенапряжения той же величины, даже если система изоляции одинакова. И наоборот, оборудование с большим зазором для целей испытания на импульсное перенапряжение может не пройти испытание на диэлектрическое сопротивление промышленной частоты, если оно загрязнено таким образом, что это не влияет на кратковременное импульсное пробойное воздействие; для достоверного определения сопротивления необходимы оба испытания.

Устройства DEMIKS для измерения напряжения промышленной частоты идеально подходят для диэлектрических испытаний на производственной линии или при вводе в эксплуатацию. Они поддерживают все стандартные высоковольтные испытания от производства до ввода в эксплуатацию. Если в ваших диэлектрических испытаниях требуются высокие значения сопротивления изоляции, ознакомьтесь с нашим руководством: « Понимание измерителей сопротивления изоляции».

Что на самом деле вызывает сбои в импульсных испытаниях — и как их интерпретировать.

Отказ при импульсном испытании — это не просто результат «пройдено/не пройдено», а диагностический сигнал. Знание четырех типичных моделей отказов при импульсном испытании в испытательных лабораториях и полевых исследованиях превращает забракованный образец в ценную информацию для проектирования.

Тип отказа 1: Прорыв на поверхность

Пробитие поверхности — наиболее распространенный отказ при импульсных испытаниях. Вместо того чтобы пробить основную массу твердой изоляции, напряжение следует по пути наименьшего сопротивления по поверхности — вдоль изолятора, по печатной плате или по расстоянию утечки изолятора. Образовавшаяся дуга гаснет по мере затухания импульса и оставляет на поверхности след углерода.

Причиной поверхностного пробоя могут быть три основных фактора: недостаточное расстояние утечки для степени загрязнения и уровня напряжения; загрязнение поверхности проводящей пылью или водяной пленкой; или геометрическая особенность, концентрирующая электрическое поле вдоль определенного края или угла изолятора. Увеличение расстояния утечки, нанесение защитного покрытия или изменение геометрии электродов устранят большинство случаев поверхностного пробоя без удаления изоляционного материала с компонента.

Тип отказа 2: Прокол изоляции по всей её толщине

Пробой происходит, когда импульсное напряжение пробивает основную массу твердого изоляционного материала, образуя постоянный проводящий канал. В отличие от поверхностного пробоя, пробой необратим. Испытательный образец разрушается и не может быть возвращен в эксплуатацию. Разрушения из-за пробоев при номинальном импульсном напряжении или ниже указывают на то, что конструкция не соответствует заявленным характеристикам – либо толщина изоляции недостаточна, либо материал содержит производственные дефекты, такие как пустоты, включения или расслоения.

Прокол в конце импульсного испытания свидетельствует о неисправности конструкции, а не о производственном дефекте. Перед продолжением сертификационных испытаний необходимо внести изменения в конструкцию оборудования.

Третий тип отказа: прогрессирующий частичный разряд (деградация ниже порога пробоя).

Внутренние низкоэнергетические пустоты, края разрядных электродов или границы раздела между изоляционными материалами не вызывают немедленного пробоя. Вместо этого происходит постепенное повреждение в результате многократных частичных разрядов от множественных нарастающих импульсов, что постепенно делает изоляционный материал хрупким. Оборудование может пройти испытания на устойчивость к импульсным воздействиям при первом применении, но долгосрочные последствия частичных разрядов в резистивной изоляции приведут к постепенному ухудшению состояния после длительной эксплуатации – особенно в установках с частыми переходными процессами переключения, которые многократно подвергают изоляцию воздействию уровней ниже порога импульсного пробоя.

Анализ, проведенный в CIGRE, показал, что более 20% отказов автоматических выключателей при рабочих напряжениях связаны с изоляцией. Многие из них вызваны накопительным повреждением, обусловленным частичными разрядами, а не единичным пробоем, который можно было бы обнаружить с помощью испытания на импульсную устойчивость. Кратковременные испытания на частичные разряды, проводимые параллельно с импульсными испытаниями в ходе типовых испытаний, позволят выявить потенциальные режимы отказов, вызванных частичными разрядами, и их предшественники до даты публикации – такой уровень понимания не может обеспечить один лишь критерий «прошел/не прошел».

Тип отказа 4: Путаница между типовыми испытаниями и стандартными испытаниями

Другой механизм отказа — это ошибка при закупке, а не фактический физический отказ, — но последствия в полевых условиях могут быть столь же дорогостоящими. Значение Uimp, указанное в техническом описании любого оборудования, определяется на основе типовых испытаний, проводимых на проектных образцах аккредитованной лабораторией. Обычные производственные испытания, как правило, проводимые на каждом устройстве, проверяют качество изготовления с использованием более низкого напряжения и более короткой продолжительности испытаний. Неправильно принимать только протокол рутинных испытаний в качестве доказательства подтвержденного значения Uimp оборудования: рутинные испытания демонстрируют единообразие производства внутри завода, только типовые испытания демонстрируют истинное значение импульсной стойкости конструкции.

Впоследствии было установлено, что отказы оборудования после удара молнии возникали в тех случаях, когда при закупке изучался только протокол стандартного испытания, и когда такое оборудование было установлено в категории перенапряжения, для которой оно не соответствовало требованиям стандарта Uimp – не по случайности со стороны производителя, а потому что в спецификации закупки не было указано различие между двумя уровнями испытаний.

Будущее импульсных испытаний: IEC 60060-1:2025 и какие изменения произойдут.

Технология импульсных испытаний не стоит на месте. Четвертое издание стандарта IEC 60060-1, выход которого запланирован на 2025 год, и новый стандарт IEEE для цифровых регистраторов уже внесли ощутимые изменения, которые сейчас наблюдаются в ведущих испытательных лабораториях.

IEC 60060-1:2025 (4-е издание) — Три важных изменения, о которых стоит знать.

• В стандарте учтена потребность в оборудовании для работы в диапазоне сверхвысокого напряжения (СВН). Четвертая редакция специально ориентирована на оборудование, используемое при напряжении выше 1,000 кВ переменного тока или 1,500 кВ постоянного тока – тип оборудования, быстро развивающийся в новых гигантских коридорах передачи СВН, которые множатся по всей Азии и на Ближнем Востоке, и где стандарты IEC ранее предусматривали не метод испытаний, а удобство проведения испытаний. Лаборатории импульсной диагностики, обслуживающие производителей оборудования СВН, теперь имеют формальные процедуры, вместо того чтобы идти на компромиссы, специфичные для каждого проекта.
• В новом издании обновлены процедуры проверки формы сигнала. При самых высоких уровнях напряжения очень высокая емкостная нагрузка внутри тестируемого объекта может искажать сигнал. напряжение генератора Изменение формы сигнала может привести к искажению расчетов измеряемых параметров — подробности решения этой проблемы уточнены в новом издании. Лаборатории, занимающиеся тестированием силовых трансформаторов и исследующие крупные испытательные объекты, разработали обходной путь в третьем издании, в новом издании эта практика описана подробно.
• Добавление формального приложения для анализа цифровых сигналов. В 4-м издании добавлена ​​специализированная программная платформа для анализа сигналов, дополняющая методы ручного расчета в Приложении C 3-го издания. Это официально признает, что цифровое сравнение — когда сигналы при пониженном и полном напряжении сравниваются автоматически — теперь является стандартным методом анализа, а не дополнительным подходом.

Стандарт IEEE 1122-2024 — Минимальные требования к цифровым диктофонам

Одновременно с обновлением стандарта IEC, IEEE выпустила стандарт 1122-2024, определяющий рабочие параметры – минимальную полосу пропускания, частоту дискретизации, динамический диапазон и точность – необходимые для цифровых регистраторов, используемых для измерения импульсных напряжений и токов. Этот стандарт полезен, поскольку не все цифровые осциллографы обладают достаточной полосой пропускания или точностью, чтобы справиться с временным фронтом в 1.2 мс, указанным в стандарте IEC 60060-1. Теперь испытательные лаборатории и заказчики могут напрямую ссылаться на стандарт IEEE 1122-2024 при запросе или оценке цифровых регистраторов для работы с импульсными сигналами, вместо того чтобы полагаться на общие спецификации полосы пропускания, которые могут быть не готовы к работе с импульсными сигналами.

Автоматизация и импульсные испытания на месте

Две долгосрочные тенденции, влияющие на повсеместное внедрение импульсных испытаний, следующие:

• Автоматизированные испытательные платформы объединяют управление генератором импульсов, захват формы сигнала, расчет поправочного коэффициента на погодные условия, принятие решения о прохождении/непрохождении испытаний и создание отчета об испытаниях в единый программный пакет. Это сводит к минимуму человеческие ошибки в последовательности импульсов, ускоряет обработку больших объемов типовых испытаний и создает стандартизированный отчет, соответствующий требованиям документации IEC 60060-1, без необходимости ручной расшифровки.
• Проведение портативных импульсных испытаний оборудования распределительных сетей на месте эксплуатации возможно благодаря возможности развертывания в полевых условиях миниатюрных генераторов Маркса в диапазоне 100-500 кВ. Недавние исследования испытаний распределительных устройств на воздействие импульсов молнии на месте эксплуатации показывают, что калибровка испытательного оборудования не может быть выполнена в цехе производителя, но может быть проведена на месте с заводской калибровкой и контролем качества испытаний для оборудования, которое нецелесообразно перемещать в центральную лабораторию. Эта информация крайне важна для клиентов DEMIKS, которые оказывают помощь операторам распределительных сетей.

Часто задаваемые вопросы о номинальном импульсном выдерживаемом напряжении