Cabos e painéis elétricos: Ensaios não destrutivos com pulsos de nanossegundos

Cabos e painéis elétricos: Ensaios não destrutivos com pulsos de nanossegundos

Sumário

Um teste de 50 Hz submete o isolamento a estresse gradualmente, e diversas classes de defeitos iniciam uma descarga a uma tensão mais baixa sob uma transição rápida. Uma fonte de pulsos de nanossegundos aplica essa transição ao objeto de teste, e uma cadeia de banda larga controlada mede a resposta pulso a pulso. Este artigo descreve a física da geração de pulsos, as cinco falhas em campo que causam falhas não detectadas e as etapas de geração e detecção que tornam o teste de descarga parcial por pulsos adequado para inspeção de rotina.

1. Introdução

Um teste convencional de descarga parcial submete o isolamento a uma onda senoidal de 50 Hz ou 60 Hz e monitora a ocorrência de descargas à medida que a tensão aumenta. O método é comprovado, mas apresenta uma limitação. Muitas falhas incipientes demonstram uma tensão de início mais alta sob estresse lento do que sob um transiente rápido.

Vazios preenchidos com gás e com geometria acentuada, camadas superficiais contaminadas e defeitos de interface em juntas de cabos e espaçadores de GIS comportam-se dessa maneira. Sob uma onda senoidal lenta, a carga relaxa e protege o defeito antes do início da descarga. Um pulso ascendente de nanossegundos aplica uma tensão acentuada e localizada no local do defeito antes que esse relaxamento possa agir.

Programas como os da Universidade Técnica de Munique utilizam esse efeito. Um trem de pulsos de alta tensão com duração de nanossegundos excita o objeto de teste, e uma cadeia de banda larga detecta a descarga resultante. Como a excitação é um impulso controlado, a resposta pode ser controlada por janela temporal, rejeitada em relação ao ruído de fundo e correlacionada com o pulso que a causou.

Este artigo aborda a física da excitação por pulsos de nanossegundos, as cinco falhas de campo que levam à não detecção de defeitos e as etapas de projeto que tornam o teste de descarga parcial por pulso suficientemente confiável para inspeção de rotina.

2. Mecanismo Central

2.1 Armazenamento de energia e geração de pulsos

Uma fonte de pulsos de nanossegundos armazena energia em um banco de capacitores e a libera, através de uma chave rápida, para o objeto de teste. A energia armazenada acompanha o valor do banco e a tensão de carga.

W = ½ · C · V²

onde W é a energia armazenada em J, C a capacitância do banco em nF e V a tensão de carga em kV. Um banco de 26 nF a 20 kV armazena 5.2 J, o que cobre um pulso de 40 mJ com ampla margem.

O tempo de subida do pulso emitido é determinado pela indutância do circuito de descarga e pela capacitância do banco de baterias.

t_r ≈ 2.2 · √(L_loop · C)

onde t_r é o tempo de subida em ns, L_loop a indutância do loop em nH e C a capacitância do banco em nF. Para uma borda de 5 ns através de um loop de 200 nH, o valor do banco fica próximo de 26 nF. A indutância interna do capacitor se soma a L_loop, portanto, cada nanohenry de ESL estica a borda e enfraquece a tensão no defeito.

2.2 Por que uma borda rápida encontra falhas que 50 Hz não detectam

A tensão em um local com defeito depende de como o campo se divide ao longo da geometria do defeito. Dentro de um vazio preenchido com gás em um isolamento sólido, a tensão através do vazio segue a razão de permissividade.

V_void = V_applied · (ε_r,ins · d_void) / (ε_r,void · d_ins + ε_r,ins · d_void)

onde V_vazio é a tensão através do vazio em kV, V_aplicada a tensão aplicada em kV, ε_r,ins a permissividade relativa do sólido, ε_r,vazio a permissividade relativa do gás e d a espessura em mm. Um vazio com ε_r próximo de 1 dentro de epóxi com ε_r próximo de 4 carrega cerca de 4 vezes o campo médio.

Em pulsos de nanossegundos, a divisão capacitiva predomina. O pulso rápido deposita tensão na cavidade antes que o relaxamento da carga possa protegê-la, de modo que a descarga se inicia com uma tensão aplicada menor do que em pulsos de 50 Hz. Medições nessa área relatam reduções de 20% a 40% no início da descarga em cavidades preenchidas com gás.

2.3 A cadeia de detecção e o controle temporal

A resposta a cada pulso de excitação chega em algumas centenas de nanossegundos após a borda, bem separada do ruído de fundo de 50 Hz da rede elétrica. A largura de banda da cadeia acompanha a borda emitida.

f_max ≈ 0.35 / t_r

onde f_max é a largura de banda necessária em MHz e t_r o tempo de subida fornecido em ns. Uma borda de 5 ns precisa de 70 MHz para o pico e de 100 MHz a 500 MHz para resolver a forma de onda da descarga em si.

A técnica de gating temporal oferece a vantagem de que a janela de aquisição se abre em torno de cada pulso de excitação, de modo que a interferência de retificadores, rádio e equipamentos próximos permanece fora da gravação. O método rejeita esse ruído por meio do sincronismo, sem a necessidade de filtro no caminho do sinal.

2.4 Repetição, energia e tensão de isolamento

Cada disparo aplica um pulso transitório rápido ao objeto de teste, e o teste não deve danificar o isolamento intacto. A energia por pulso depende da capacitância do objeto.

E_pulse = ½ · C_obj · V²

onde E_pulse é a energia por pulso em mJ, C_obj a capacitância do objeto em pF e V a tensão do pulso em kV. Uma amostra de cabo de 1 m com 200 pF a 20 kV consome 40 mJ por pulso, o que é termicamente desprezível. A tensão transiente em si é o estresse que importa.

O número de repetições deve acumular estatísticas de descarga suficientes, normalmente de 100 a 1,000 disparos por ponto de teste, enquanto a tensão cumulativa permanece abaixo do nível de resistência projetado.

Figura 1 — Um vazio profundo responde em 400 ns, fora da janela fixa de 0 a 200 ns, enquanto o anel da fonte de 30 MHz decai ao longo do mesmo registro.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: O zumbido da fonte é interpretado como atividade de descarga

Um dispositivo construído com um gerador Marx com estágios levemente amortecidos produziu uma oscilação de 30 MHz que decaiu ao longo de 500 ns após cada disparo. O detector registrou a oscilação como uma descarga em cada ponto de teste. Uma medição de referência em uma amostra com som conhecido apresentou a mesma resposta, o que comprovou que o sinal era gerado pela oscilação. Todas as unidades em bom estado foram sinalizadas, e todas as defeituosas permaneceram ocultas pelo mesmo artefato.

Ponto Crítico 2: A indutância do banco de baterias aumenta a margem de erro.

Duas fontes forneceram o mesmo pulso nominal de 20 kV e aplicaram tensões diferentes ao defeito. Um banco de alta indutância apresentou um tempo de subida de 18 ns e detectou apenas 60% das falhas detectadas por uma fonte de baixa indutância com um tempo de subida de 5 ns. Um banco cuja indutância do circuito aumenta gradualmente perde poder de detecção, enquanto a amplitude do pico no osciloscópio permanece a mesma.

Problema 3: Uma janela fixa não permite chegadas atrasadas.

A descarga proveniente de um vazio profundo ou de um longo trecho de cabo ocorre dezenas a centenas de nanossegundos após a borda. Uma janela configurada de 0 ns a 200 ns capturou vazios próximos à superfície e não detectou defeitos profundos cuja resposta ocorreu em 400 ns. O relatório afirmou que não houve descarga em amostras que posteriormente apresentaram clara atividade interna.

Ponto Crítico 4: O transiente de acoplamento cega o detector

A capacitância do objeto de teste acopla o pulso de excitação diretamente ao circuito de detecção e produz um grande transiente de modo comum na borda. Em uma das aplicações, esse transiente excedeu a faixa do amplificador por 150 ns após cada disparo, o que abrange a janela onde ocorre descarga próxima à superfície. O sistema funcionou bem em amostras de cabos longos, mas apresentou falhas em equipamentos de comutação compactos.

Ponto Crítico 5: A repetição acumula estresse despercebido

Uma campanha submeteu um bujão de transformador a pulsos de 30 kV e 200 pulsos por segundo durante um dia inteiro, o que corresponde a mais de 17 milhões de transientes. A tensão cumulativa excedeu o limite estabelecido para um teste não destrutivo, e uma inspeção posterior revelou trilhamento acelerado no cone de tensão. Cada pulso individualmente era inofensivo, e a contagem representava o limite que faltava.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Construir a base para uma borda limpa, rápida e repetível

Reduza a indutância do circuito com construção coaxial, barramentos laminados e capacitores de armazenamento de baixa ESL. Verifique o tempo de subida fornecido nos terminais do objeto de teste. Adicione amortecimento ao circuito de descarga para que o pulso se mantenha abaixo de 5% de sobreimpulso e 1% de oscilação residual, pois a fonte não deve gerar artefatos dentro da banda de descarga parcial. Monitore a forma de onda em cada disparo e rejeite qualquer registro cuja forma se desvie da especificação.

Estratégia 2: Utilizar capacitores cerâmicos de baixa indutância como elementos formadores de pulso.

Selecione um banco cuja frequência de auto-ressonância esteja acima do componente espectral mais alto do pulso desejado, de modo que o banco não estique ou distorça a borda. Ajuste o valor do banco ao tempo de subida através de t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) e mantenha esse valor em função da temperatura com um dielétrico de Classe I, como... N4700Exigir uma classificação acima de 10⁶ eventos de pulso, para que o formato do pulso permaneça constante em relação ao projeto.

Estratégia 3: Tornar a janela de detecção adaptativa

Meça o tempo de propagação para cada classe de objeto de teste ou use reflectometria para localizar a extremidade distante e defina a janela do tempo de chegada esperado mais rápido ao mais lento. Registre as formas de onda completas por disparo e aplique gating no software posteriormente, para que uma janela desalinhada se torne um erro analisável. Execute a aquisição de dois canais com o monitor de fonte em um dos canais, para que a excitação e a resposta se alinhem no software.

Estratégia 4: Rejeitar o transiente de acoplamento

Use detecção balanceada ou diferencial para cancelar o transiente de modo comum na entrada do detector. Suprima os primeiros 20 ns a 50 ns após a borda somente quando a geometria permitir, e verifique a supressão comparando-a com amostras de referência com defeitos de superfície conhecidos. Adicione um HVR-BSP resistor de filme espesso na corrente divisora ​​e um diodo de recuperação rápida No retificador, portanto o canal de monitoramento carrega sozinho a banda de descarga.

Estratégia 5: Limitar o estresse cumulativo

Defina a contagem de repetições por ponto de teste a partir do registro de resistência ao impulso do objeto e mantenha uma margem de segurança para esse valor. Registre a contagem cumulativa de pulsos, a energia por disparo e a tensão de pico para cada campanha. Sempre que o cronograma permitir, alterne a triagem de descargas parciais por pulso com uma verificação de descargas parciais em regime permanente no mesmo objeto, de modo que os dois métodos se complementem.

Estratégia 6: Detectar a corrente de descarga e a saúde do banco de eletrólitos.

Detecte o caminho da descarga com um resistor de amostragem HVRGHP e registre a corrente de disparo juntamente com a temperatura do banco. Um aumento na temperatura do banco a uma taxa de repetição fixa indica um aumento na ESL ou ESR, o que é um sinal precoce de uma borda esticada. Mantenha o banco dentro de ±10 °C de sua temperatura de calibração e use um Conjunto de maçanetas HVCT8G onde uma pilha compacta e de baixa indutância precisa caber em um carrinho portátil.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC N4700 para fontes de descarga parcial de pulsos de nanossegundos

O banco de formação de pulsos define se a borda de transmissão terá 5 ns ou 18 ns, se será limpa ou oscilante. Duas propriedades determinam esse resultado: a indutância do componente e a estabilidade de sua capacitância. A HVC fabrica componentes N4700 Classe I para ambas as condições, em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, com uma faixa de tensão de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Uma ESL abaixo de 20 nH nos corpos das maçanetas mantém a indutância do circuito de descarga baixa, o que permite uma borda de 5 ns com um decaimento de polo único.
• A TCC de ±30 ppm/°C mantém o valor do banco em condições de campo, de modo que o tempo de subida t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) e a sensibilidade à falha permanecem os mesmos na oficina e na subestação.
• Perda inferior a 0.1% com um dv/dt elevado, de modo que o banco de baterias não se autoaquece entre os disparos e cada pulso emitido corresponde ao anterior.
• A descarga parcial (PD) é inferior a 5 pC na tensão nominal, portanto, o banco não adiciona descarga interna à faixa de medição sensível.
• Vida útil do pulso superior a 10⁶ eventos sem atenuação da capacitância, de modo que a forma de onda permanece constante ao longo de toda a campanha.
• Encapsulamento em epóxi com tripla camada, qualificado para teste de névoa salina por 96 horas e isolamento com classificação de 60 kV, o que permite uma fonte compacta e segura dentro de um carrinho portátil.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos de formação de pulso em 6 a 10 semanas, em comparação com 20 a 30 semanas para as marcas de primeira linha. Cada unidade possui um valor ESL e um histórico de vida útil do pulso superior a 10⁶ disparos.

Envie a tensão do pulso, o tempo de subida necessário, a capacitância do objeto e a taxa de repetição. O HVC retorna um plano de banco com a capacitância, a indutância do loop, a energia por disparo e um referência cruzada contra peças da Murata e da Vishay em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que um pulso de nanossegundos inicia uma descarga com uma voltagem mais baixa?

Isso ocorre porque a rápida deposição de carga na borda exerce tensão sobre o defeito antes que o relaxamento da carga possa protegê-lo. Em um vazio com ε_r próximo de 1 dentro de uma resina epóxi com ε_r próximo de 4, o vazio carrega cerca de 4 vezes o campo médio, e a divisão capacitiva domina em escalas de tempo de nanossegundos. Reduções relatadas na iniciação de defeitos em vazios preenchidos com gás variam de 20% a 40%.

P2: Como dimensiono o banco de armazenamento de energia?

A partir do tempo de subida e da indutância do loop: t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C). Uma borda de 5 ns através de um loop de 200 nH requer cerca de 26 nF. Em seguida, verifique a energia armazenada W = ½·C·V² em relação à energia por pulso, que para uma amostra de cabo de 1 m com 200 pF a 20 kV é de 40 mJ.

P3: Como posso saber se o ruído vem da fonte e não do isolamento?

Meça uma amostra de referência de som conhecido. Se a mesma oscilação amortecida aparecer na referência, a fonte a gera. Em seguida, amorteça o laço de descarga até que o pulso se mantenha abaixo de 5% de sobreimpulso e 1% de oscilação residual, e monitore a forma de onda emitida em cada disparo.

Q4: Onde deve começar e terminar o período de aquisição?

Meça o tempo de propagação para cada classe de objeto ou use reflectometria para encontrar a extremidade remota e defina a janela do tempo de chegada esperado mais rápido para o mais lento. Uma janela fixa de 0 ns a 200 ns não detecta vazios profundos cuja resposta chega em 400 ns. Registre a forma de onda completa e aplique um gating no software posteriormente.

Q5: Quantos pulsos posso aplicar antes que o teste se torne destrutivo?

Defina a contagem a partir do registro de resistência ao impulso do objeto e mantenha uma margem de segurança. Uma campanha a 30 kV e 200 pulsos por segundo durante um dia aplicou mais de 17 milhões de transientes e produziu rastreamento acelerado em um cone de tensão. Registre a contagem cumulativa, a energia e a tensão de pico e limite a contagem por tipo de componente.

Q6: Como faço para impedir que o transiente de excitação cegue o detector?

Use detecção balanceada ou diferencial para cancelar o transiente de modo comum e mantenha a entrada do detector dentro de sua faixa. Um transiente de acoplamento que exceda a faixa do amplificador por 150 ns após cada disparo cobre a janela onde a descarga próxima à superfície aparece. Bloqueie essa janela somente quando a geometria o justificar e verifique o bloqueio em uma amostra de referência.

7. Referências

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Requisitos de segurança para equipamentos elétricos para medição, controle e uso em laboratório — Parte 1: Requisitos geraisGenebra: IEC, 2016.
2. IEC 61071:2017, Capacitores para eletrônica de potênciaGenebra: IEC, 2017.
3. IEC 60384-8:2015, Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos — Parte 8: Capacitores fixos com dielétrico cerâmico, Classe 1Genebra: IEC, 2015.
4. IEC 60270:2015, Técnicas de teste de alta tensão — Medições de descarga parcialGenebra: IEC, 2015.
5. Erickson, RW e Maksimović, D., Fundamentos de Eletrônica de Potência, 3ª ed. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, e Robbins, WP, Eletrônica de Potência: Conversores, Aplicações e Projeto, 3ª ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. T. Kaji, H. Asai, T. Nozu, H. Kojima e N. Hayakawa, Tensão de início de descarga parcial sob sobretensão do inversor considerando os efeitos interativos de fatores ambientais., IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, vol. 140, no. 7, pp. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. EUA 10,529,487, Capacitor cerâmico multicamadas com eletrodos internos em diferentes posições de borda., Taiyo Yuden Co., Ltd., concedido em 2020, https://www.freepatentsonline.com/10529487.html .
9. ГОСТ IEC 61071-2014, Condensadores com silos elétricos (Capacitores para eletrônica de potência). Moscou: Standard, 2014.
10. Minha fonte de alimentação de alta tensão está apresentando arcos elétricos: como posso descobrir onde está o problema?, Spellman High Voltage Electronics Corporation, Nota de Aplicação AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com