probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2025-27-3-14-22probener-3434Research ArticleМЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND DEVICES FOR CONTROLLING AND DIAGNOSING MATERIALS, ARTICLES, SUBSTANCES AND NATURAL ENVIRONMENTИзмерительная ячейка для изучения характеристик частичных разрядов в газовых дефектах изоляцииMeasuring cell for studying the characteristics of partial discharges in gas defects of insulationНьетерейеФ.NyetereyeF.

Ньетерейе Фредерик–аспирант кафедры «Электрические станции им. Шибанова В.К.» 

г. Казань 

Nyetereye Frederic 

Kazan 

nyetereyefrederic@gmail.comУсачевА. Е.UsachevA. E.

Усачев Александр Евгеньевич– д.ф.-м.н. профессор, профессор кафедры «Электрические станции им. Шибанова В.К.»

г. Казань 

Alexander E. Usachev 

Kazan 

aleksandr_usachev@rambler.ruБобоевШ. А.BoboevSh. A.

Бобоев Шухрат Абдусаломович– ассистент кафедры «Электрические станции им. Шибанова В.К.»

г. Казань 

Shuhrat A. Boboev 

Kazan 

shuhrar1004@mail.ruКубаревА. Ю.KubarevA. Yu.

Кубарев Артём Юрьевич –кан. техн. наук. доцент кафедры «Электрические станции им. Шибанова В.К.»

г. Казань 

Artyom Y. Kubarev 

Kazan 

artemkubarev@yandex.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation2025220720252731422Copyright © Ньетерейе Ф., Усачев А.Е., Бобоев Ш.А., Кубарев А.Ю., 20252025Ньетерейе Ф., Усачев А.Е., Бобоев Ш.А., Кубарев А.Ю.Nyetereye F., Usachev A.E., Boboev S.A., Kubarev A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3434

Актуальность исследования заключается в расчёте конструкции ячейки для измерения характеристик частичных разрядов (ЧР), возникающих в газовых дефектах внутри твёрдой изоляции. Размеры и объём газовых включений в изоляцию связаны с характеристиками ЧР, которые в этих дефектах происходят. Знание деталей этой связи для дефектов различных размеров и форм необходимо для правильной диагностики состояния изоляции аппаратов высоких напряжений и определения их остаточного ресурса. Эта связь в настоящее время изучена в недостаточной степени. Задача изучения ЧР осложняется их малой величиной и сложностью отделения ЧР в газовых дефектах от поверхностных, коронных ЧР и посторонних случайных шумов, имеющих подобный спектр.

Цель работы состоит в создании экспериментальной установки с измерительной ячейкой, в которой нет коронных и поверхностных ЧР, которые осложняют получение достоверных результатов при измерении ЧР в газовых порах диэлектрика.

Методы

Методы. При решении поставленной задачи применялся расчет напряжённости электрического поля в различных конструкциях ячейки методом конечных элементов в программе COMSOL Multiphysics 6.2.

Результаты

Результаты. В статье описана актуальность темы, приведены результаты расчёта распределения электрических полей при различной конфигурации высоковольтных электродов рассмотрены, результаты измерения ЧР в контрольных (бездефектных) образцах и образцах с дефектами. Доказано, что в предлагаемой конструкции ячейки отсутствуют поверхностные и коронные ЧР на электродах, что позволяет изучать характеристики ЧР в газовых дефектах изоляции. Установлено, что ЧР в газовом дефекте происходят в первой и третьей части каждого периода синусоиды промышленной частоты при одинаковой разности потенциалов между электродами. Сдвига напряжения возникновения ЧР, который предсказывался из-за предполагаемого остаточного заряда на стенках каверны, не обнаружено.

The actuality of the study is to calculate the design of a cell to measure the characteristics of partial discharges (PD) occurring in gas defects within solid insulation. The size and volume of gas inclusions in the insulation are related to the PD characteristics that occur in these defects. Knowledge of the details of this relationship for defects of various sizes and shapes is necessary for proper diagnosis of the insulation condition of high voltage apparatuses and determination of their residual life. This connection is currently studied to an insufficient extent. The task of studying PDs is complicated by their small magnitude and the difficulty of separating PDs in gas defects from surface, corona PDs and extraneous random noises having a similar spectrum.

Objective of the work is to create an experimental setup with a measuring cell in which there are no corona and surface PDs, which complicate obtaining reliable results when measuring PDs in gas pores of a dielectric.

Methods

Methods. The calculation of the electric field strength in various cell designs by the finite element method in the ComSol-Multiphysice 6.0 program was used to solve the problem.

Results

Results. The paper describes the relevance of the topic, presents the results of calculation of electric field distribution at different configurations of highvoltage electrodes, the results of PD measurements in control (defect-free) samples and samples with defects. It is proved that in the proposed design of the cell there are no surface and corona PDs on the electrodes, which allows us to study the characteristics of PDs in gas defects of insulation. It is established that PDs in a gas defect occur in the first and third parts of each period of a sinusoid of industrial frequency at the same potential difference between the electrodes. No shift of the PD occurrence voltage, which was predicted due to the assumed residual charge on the cavern walls, was found.

частичный разряддефекты изоляцииизмерительная ячейканапряжённость возникновения ЧРдиагностика изоляцииpartial dischargeinsulation defectsmeasuring cellPD occurrence voltageinsulation diagnosticsReferencesВдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования // Новосибирск: Наука. - 2007. – 155c.Vdoviko, V.P. Partial discharges in diagnostics of the high-voltage equipment (in Russian) // Novosibirsk: Nauka. - 2007. - 155c.Русов В.А. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. // Екатеринбург: УрГУПС, 2011. — 370 с. — ISBN: 978-5-94614-177-2.Rusov, V.A. Measurement of the partial discharges in the insulation of the high-voltage equipment. // Yekaterinburg: UrGUPS, 2011. - 370 с. - ISBN: 978-5-94614-177-2.Taylor N. A literature review: The nature of partial discharges in stator insulation. // ETK, KTH. 2008. P.34.Taylor N. A literature review: The nature of partial discharges in stator insulation. // ETK, KTH. 2008. P.34.Kaziz S., Said M.H., Imburgia A., Maamer M, Flandre D., Romano P., Tounsi F. Radiometric Partial Discharge Detection: A Review. // Energies 2023, 16, 1978.Kaziz S., Said M.H., Imburgia A., Maamer M, Flandre D., Romano P., Tounsi F. Radiometric Partial Discharge Detection: A Review. // Energies 2023, 16, 1978.Zhang X., Pang B., Liu Y., Liu S., Xu P., Li Y., Liu Y., Qi L., Hie Q. Review on detection and analysis of partial discharge along power cables. // Energies, 2021, 14 (22), 7692,Zhang X., Pang B., Liu Y., Liu S., Xu P., Li Y., Liu Y., Qi L., Hie Q. Review on detection and analysis of partial discharge along power cables. // Energies, 2021, 14 (22), 7692,Raziq H., Batoola M., Nawaz F., Akgul A., Afzal F., Hassani M.K. A review on analysis and modeling of electrical machine insulation system. // Electrical & Electronic Engineering cogent engineering, 2024, V.11, 2400614.Raziq H., Batoola M., Nawaz F., Akgul A., Afzal F., Hassani M.K.. A review on analysis and modeling of electrical machine insulation system. // Electrical & Electronic Engineering, 2024, V.11, 2400614.Ба Бораик А. М., Усачев А.Е., Кубарев А. Ю., Ильдарханов Р.Г. Новая методика опредeления размеров и положения дефектов в изоляции обмоток статоров турбогенераторов при измерениях в них частичных разрядов. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2018. Т.20. № 1-2. С. 41-53.Ba Boraik A.M., Usachev A.E., Kubarev A.Yu., Ildarkhanov R.G. New methodology for determination of the sizes and positions of the defects in the insulation of the stator windings of the turbogenerators at the measurements of the partial discharges in them. // Izvestiya Vuzov. Problems of power engineering. 2018. Т.20. № 1-2. С. 41-53.Baboraik A.M., Usachev A.E. New model of explanation for phase angle pattern of online partial discharge measurement in winding insulation of turbine generator. // Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, V.72 (2021), pp.66–77.Baboraik A.M., Usachev A.E.. New model of explanation for phase angle pattern of online partial discharge measurement in winding insulation of turbine generator. // Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, V.72 (2021), pp.66-77.Kubarev A.Yu., Usachov A.E., Mikhaylova E.V. Modeling of Partial Discharge Waveforms in the Generalized Model of Power Transformer Insulation // 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 10.1109/ICIEAM51226.2021.9446437; ISBN Information: Electronic ISBN:978-1-7281-4587-7; USB ISBN:978-1-5386-1797-7; Print on Demand (PoD) ISBN:978-1-7281-4588-4Kubarev A.Yu., Usachev A.E., Mikhailova E.V. Modeling of partial discharge waveforms in a generalized model of power transformer insulation // 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 10.1109/ICIEAM51226.2021.9446437; ISBN Information: Electronic ISBN:978-1-7281-4587-7; USB ISBN:978-1-5386-1797-7; Print on Demand (PoD) ISBN:978-1-7281-4588-4Kubarev A.Yu., Usachov A. E., Paramonov M.A. Analysis of Power Transformers Monitoring Systems // 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 10.1109/ICIEAM60818.2024.10553850 Electronic ISBN:979-8-3503-9501-3 USB ISBN:979-8-3503-9500-6 Print on Demand (PoD) ISBN:979-8-3503-9502-0Kubarev A.Yu., Usachev A.E., Paramonov M.A. Analysis of power transformer monitoring systems // 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 10.1109/ICIEAM60818.2024.10553850 Electronic ISBN:979-8- 3503-9501-3 USB ISBN:979-8-3503-9500-6 Print on Demand (PoD) ISBN:979-8-3503-9502-0Illias H. A., Chen G., Lewin P. L. Modeling of partial discharges from a spherical cavity within a dielectric material under variable frequency electric fields //Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2008. CEIDP 2008. Annual Report Conference on. – IEEE, 2008. – С. 447-450.Illias H. A., Chen G., Lewin P. L. Modeling of partial discharges from a spherical cavity inside a dielectric material in electric fields of variable frequency // Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2008. CEIDP 2008. Annual reporting conference. - IEEE, 2008. - С. 447- 450.Illias H. A., Chen G., Lewin P. L. Effect of surface charge distribution on the electric field in a void due to partial discharges //Electrical Insulating Materials (ISEIM), Proceedings of 2011 International Conference on. – IEEE, 2011. – С. 245-248.Illias H. A., Chen G., Lewin P. L. Effect of surface charge distribution on the electric field in a void due to partial discharges // Electrical Insulating Materials (ISEIM), Proceedings of the 2011 International Conference on. - IEEE, 2011. - С. 245-248.Александров А.Ф., Бычков В.Л., Грачев Л.П., Есаков И.И., Ломтева А.Ю. Ионизация воздуха в околокритическом электрическом поле. // ЖТФ, 2006, т.76, в.3., с.38- 43.Alexandrov A.F., Bychkov V.L., Grachev L.P., Esakov I.I., Lomteva A.Yu. Ionization of air in near-critical electric field. // ZhTF, 2006, vol. 76, v.3, p.38-43.Месяц Г. А. Законы подобия в импульсных газовых разрядах. // УФН. Обзоры актуальных проблем 2006. Т.176, №10 с.1069-1091.Mesyats G. A. Similarity laws in pulsed gas discharges. // UVN. Reviews of Actual Problems 2006. Vol.176, No.10, pp.1069-1091.Luo B., Wang J., Dai D., Jia L., Li., Wang T. Partial Discharge Simulation of Air Gap Defects in Oil-Paper Insulation Paperboard of Converter Transformer under Different Ratios of AC–DC Combined Voltage // Energies, 2021, 14, 6995Luo B., Wang J., Dai D., Jia L., Li., Wang T. Partial Discharge Simulation of Air Gap Defects in Oil-Paper Insulation Paperboard of Converter Transformer under Different Ratios of AC-DC Combined Voltage // Energies, 2021, 14, 6995.Киншт Н.В., Борисов Б.Д., Петрунько Н.Н. Вопросы оценки множественных частичных разрядов в высоковольтном оборудовании. // Электроэнергия. Передача и распределение, 2019 № 2(53).Kincht, N.V.; Borisov, B.D.; Petrunko, N.N. Assessment questions of the multiple partial discharges in the high-voltage equipment. // Electricity. Transmission and Distribution, 2019 № 2(53).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.