Частичный разряд (ЧР / PD) — это локализованный диэлектрический пробой, возникающий в небольшой части изоляционной системы электрического кабеля под воздействием высокого напряжения. В отличие от полного пробоя, ЧР не перекрывает полностью пространство между основной токопроводящей жилой и внешним заземляющим экраном / металлической броней.
Согласно международному стандарту IEC 60270, ЧР возникает, когда локальная напряженность электрического поля превышает диэлектрическую прочность конкретного слабого места — например, внутренней газовой раковины (пустоты), микротрещины или impurity (примеси) внутри матрицы из сшитого полиэтилена (XLPE) или ПВХ. Эти микроразряды излучают кратковременные электромагнитные импульсы, акустические волны и побочные продукты химической деградации, которые со временем постепенно разрушают окружающую изоляцию.
Матрица технических параметров: типология и характеристики ЧР
Частичный разряд в силовых кабелях проявляется в различных формах в зависимости от физической природы и локализации дефекта изоляции:
| Категория ЧР | Первопричина дефекта | Типичная амплитуда импульса (пКл) | Фазовый профиль ЧР (PRPD) | Долговременный эксплуатационный риск |
| Внутренний разряд (в пустотах) | Микроскопические пузырьки воздуха/газа, зажатые в объеме XLPE. | 5 pC — 500 pC | Симметричные импульсы, сгруппированные в 1-м и 3-м квадрантах (0° — 90° и 180° — 270°). | Критический: Инициирует прогрессирующий электрический триинг, приводящий к полному пробою. |
| Поверхностный разряд | Межфазные границы (например, кабельные муфты, концевые заделки или стресс-конусы). | 100 pC — 2000 pC | Асимметричные импульсы, сгруппированные вблизи пиков волны переменного напряжения. | Высокий: Приводит к поверхностному трекингу, обугливанию и перекрытию. |
| Коронный разряд | Острые металлические выступы или заусенцы на открытых терминалах в воздухе. | 10 pC — 100 pC | Четкие, высокостабильные импульсы, плотно сконцентрированные на отрицательном пике (270°). | Низкий–Умеренный: Генерирует озон; со временем разрушает внешние компоненты. |
Физика деградации и разрушения при ЧР
Несоответствие диэлектрической проницаемости
Основной причиной внутреннего частичного разряда является резкая разница в относительной диэлектрической проницаемости (εᵣ) между твердой изоляцией и газовым включением. Например, твердый XLPE имеет проницаемость около 2.3, тогда как воздушная раковина — 1.0.
При приложении переменного напряжения напряженность электрического поля (E_void) внутри воздушного пузырька с меньшей проницаемостью усиливается по сравнению с окружающим твердым диэлектриком:
E_void = εᵣ・E_insulation
Поскольку воздух имеет значительно более низкий порог пробоя, чем XLPE (около 3 кВ/мм против 20 кВ/мм), воздух внутри пустоты ионизируется и разряжается задолго до того, как остальная часть изоляционной стенки достигнет своего предела.
Электрический триинг и механизмы отказа кабеля
Каждый отдельный акт частичного разряда бомбардирует границы пустоты высокоэнергетическими электронами и ультрафиолетовым излучением, разрывая длинноцепные углеводородные полимеры XLPE. В результате этого химического разложения выделяются летучие газы и откладываются проводящие углеродные трекинг-пути вдоль микротрещин.
В течение месяцев или лет эти микроскопические обугленные каналы разрастаются сквозь матрицу изоляции в виде древовидной структуры, известной как электрический триинг. По мере того как проводящие ветви приближаются к внешнему заземляющему экрану, остаточная эффективная толщина изоляции уменьшается до тех пор, пока система больше не сможет выдерживать рабочее напряжение, что приводит к тяжелому короткому замыканию.