Dinâmica modulada por campo magnético de descargas parciais em defeitos de materiais isolantes de alta tensão

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22048 (2022) Citar este artigo

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Este artigo apresenta metodologia de medição original e abordagem de detecção para determinar a influência do campo magnético na dinâmica de descarga parcial (DP). As áreas de aplicação referem-se a sistemas de isolamento de dispositivos de rede e redes industriais e segmentos emergentes, como trilhos de alta velocidade, veículos elétricos ou aeronaves mais elétricas. Convencionalmente, as medições de PD são executadas apenas em campo elétrico, porém a interação dos campos magnético e elétrico influencia a dinâmica dos PDs. A técnica de medição permitiu detectar quantitativamente o efeito de campos magnéticos em PDs em dois arranjos representativos: no vazio gasoso em material dielétrico e na configuração corona ponto-plano. As medições em ambas as configurações revelaram amplificação da intensidade dos PDs. A comparação quantitativa da evolução dos PDs no campo magnético é um aspecto inédito apresentado neste artigo. A combinação de imagens com resolução de fase e diagramas de intensidade de seqüência de tempo obtidos na comutação do campo magnético permitiu visualizar e determinar quantitativamente esse impacto. Este efeito é atribuído à extensão da trajetória da partícula carregada e à amplificação da energia do elétron devido à aceleração. Assim, o impacto investigado de um campo magnético pode ser percebido como um elemento adicional que influencia a dinâmica do PD.

O isolamento elétrico de dispositivos de rede e redes industriais, bem como segmentos emergentes, como trilhos de alta velocidade, veículos elétricos ou mais aeronaves elétricas, estão expostos a tensões cada vez maiores devido ao aumento dos níveis de tensão nessas aplicações. O foco deste artigo está na metodologia original de medição e abordagem de detecção para determinar a influência do campo magnético na dinâmica de descarga parcial (DP). Este é um novo tópico de pesquisa, já que convencionalmente as medições de PD são realizadas apenas em campo elétrico, porém a interação dos campos magnético e elétrico pode influenciar seu comportamento. Os equipamentos de energia elétrica de alta tensão estão constantemente expostos a campos elétricos e magnéticos. É importante observar que os sistemas de isolamento de vários dispositivos de redes, subestações, trilhos e redes industriais, como transformadores de potência, cabos, sistemas e linhas isolados a gás, conversores, motores e geradores também estão expostos aos campos magnéticos causados pelo fluxo de corrente nos condutores; isso se refere aos casos AC e DC. Como a confiabilidade dos equipamentos de energia elétrica em níveis de alta e média tensão é crítica para transferências e conversões de energia, técnicas avançadas de projeto e metodologias de diagnóstico estão sendo desenvolvidas. Um dos principais indicadores de qualidade de isolamento de alta tensão (HV) hoje é baseado na medição de descargas parciais. Existem várias formas de descargas que se relacionam com os defeitos que podem ser encontrados no interior ou nas superfícies dos isolamentos elétricos. Nesse contexto, pode-se normalmente distinguir descargas internas em minúsculas inclusões de ar chamadas vazios, juntamente com descargas superficiais ou descargas corona. Essa evolução da descarga parcial está relacionada aos estágios do streamer, como o início, a formação do canal e o desenvolvimento. Streamers são geralmente interpretados como microcanais de gás ionizado e se propagam ao longo de linhas de campo elétrico. Na presença de um campo magnético sobreposto a um elétrico, a trajetória do streamer é alterada devido à força de Lorentz adicional atuando sobre as partículas carregadas; isso leva a um movimento circular complexo. A propagação de streamers em um campo magnético muito alto (10 T) foi mostrada em 1. As observações experimentais neste trabalho foram focadas em traçar a trajetória de um streamer na presença de um campo magnético. Foi mostrado que o movimento de deriva em campos elétricos e magnéticos cruzados é influenciado pelo ângulo de Hall. Sem espalhamento, os elétrons se movem em órbitas cicloidais em uma direção perpendicular aos campos elétrico e magnético. A cada evento de espalhamento, o momento do elétron muda e um novo caminho cicloidal é tomado. O caminho conectando eventos sucessivos de dispersão está formando uma trajetória. As observações de imagem mostraram que a descarga é claramente desviada para o lado com um ângulo crescente em um campo magnético crescente. Em pressões mais altas, os streamers se ramificam com mais frequência e a velocidade de propagação do streamer diminui com a pressão. Os efeitos de um campo magnético alternado em uma coroa de ponto-plano medida em uma banda de frequência ultra-alta (UHF) foram relatados em 2. Foi demonstrado que a densidade espectral de potência na coroa é reduzida na banda UHF de 650–800 MHz na presença de um campo magnético (250–300 Gauss), para gaps variando de 15 a 40 mm. O estudo de um campo magnético em descargas corona DC em baixo vácuo foi mostrado em3. Foi demonstrado que o efeito de um campo magnético em uma corrente de descarga era mais significativo com descargas corona negativas do que com descargas positivas. Uma coroa negativa magneticamente aprimorada que resulta da penetração de campo em uma região de ionização foi descrita em 4. Observou-se que o aumento relativo da corrente de descarga foi muito maior quando os ímãs permanentes estavam localizados próximos ao eletrodo de descarga do que próximo ao eletrodo coletor. O início da coroa e a tensão de ruptura foram muito influenciados pela presença de um campo magnético, conforme observado em 5. Verificou-se que a tensão de início da coroa e a tensão de ruptura diminuíram com o aumento do campo magnético cruzado. A influência de um campo magnético DC em padrões de resolução de fase PD em uma configuração cone-plano corona foi discutida em6. Foi demonstrado que as distribuições de magnitude e fase dos padrões de descarga parcial são afetadas por um campo magnético perpendicular. A influência de um campo magnético externo (128 mT) nos parâmetros estatísticos de descargas parciais em vazios foi analisada em7. Verificou-se que, embora diferenças visíveis apareçam no padrão PD com e sem um campo magnético aplicado; estes não podem ser atribuídos apenas aos efeitos da força de Lorenz. Como os padrões de PD são o que há de mais moderno no diagnóstico de isolamento de alta tensão de equipamentos de energia atualmente8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, a influência de outros fatores, como Os campos, assim como os harmônicos de tensão18, são essenciais para a interpretação adequada de qualquer resultado de medição. A influência do campo magnético longitudinal nos parâmetros da fonte de elétrons do plasma e na otimização da geometria foi mostrada em19. O campo magnético influenciou as características de ruptura elétrica no gás. As investigações realizadas em argônio e nitrogênio, tanto no campo cruzado quanto no paralelo, demonstraram a dependência do rendimento de elétrons no campo magnético20.