IEC 60270: Chỉ số phóng điện cục bộ thực sự đo là gì

Khi một khe khí trong cách điện của cụm phim điện môi bị đánh thủng cục bộ, lượng điện tích di chuyển nằm trong khoảng picôculông đến nanôculông, và thời gian kéo dài chỉ vài chục nanôgiây. Bạn không thể nhìn thấy hiện tượng đó. Những gì thiết bị ghi nhận là xung dòng điện mà sự đánh thủng cục bộ này đẩy qua chính điện dung của mẫu thử, và tích phân của dòng điện đó chính là giá trị được ghi lại. IEC 60270 gọi đại lượng này là điện tích biểu kiến chính vì lý do đó: nó là lượng điện tích mà bạn phải bơm vào tại đầu mối để tái tạo cùng độ cao xung.

Hai hệ quả nối tiếp, và chúng giải thích phần lớn tranh cãi giữa nhà cung cấp và khách hàng.

Thứ nhất, giá trị đo theo thang với mẫu thử. Một thanh cái ba lớp dài 3 m có thể cho điện dung 1,5–4 nF giữa dây dẫn và đất, trong khi một mẫu đồng phẳng 80 mm chỉ còn một phần nhỏ của giá trị đó. Nếu bơm cùng mức hoạt động của khe khí vào cả hai, linh kiện lớn hơn sẽ cho điện tích biểu kiến lớn hơn tại đầu mối, bởi nhiều dòng xung hơn đến được trở kháng đo. So sánh giữa các hình học do đó chỉ có ý nghĩa khi mạch thử nghiệm được mô tả rõ.

Thứ hai, giá trị đo theo thang với mạch. Giá trị tụ ghép, chiều dài dây dẫn, cách nối đất, dải tần và vị trí đặt bộ hiệu chuẩn đều làm dịch chuyển con số. Một kết quả 10 pC từ phòng thử có bố trí che chắn gọn gàng, và một kết quả 10 pC từ phòng khác đo qua hai mét dây không che chắn, không phải là cùng một tuyên bố, ngay cả khi cả hai đều in "10 pC" trên báo cáo.

Về nền tảng vật lý của vị trí bắt đầu phóng điện trong thanh cái, xem tài sơ phóng điện cục bộ; trang này tập trung vào tiêu chuẩn đo lường biến đổi vật lý đó thành một con số.

Cần nhấn mạnh: điện tích biểu kiến không phải là điện tích thực sự bay trong khe khí. Phần lớn xung đó bị chặn bởi điện dung của chính lớp cách điện và được phân chia giữa tụ ghép, trở kháng đo và ký sinh. Vì vậy một con số 10 pC tại đầu mối hoàn toàn không cho phép kết luận về kích thước hay mức suy giảm của khuyết tật bên trong; nó chỉ là một thang đo đã hiệu chuẩn. Hai phòng thử dùng cùng thang này trên cùng một mạch mới có thể so sánh; còn so sánh ngược giữa các hình học mà không có bản mô tả mạch là một sai lầm lập luận.

Trước mọi phép đo phóng điện cục bộ, bộ hiệu chuẩn bơm một lượng điện tích đã biết — 10 pC, 50 pC, 100 pC — vào mạch thử, và hệ số tỷ lệ của thiết bị được đặt từ lần bơm đó. Chi tiết quyết định độ tin cậy của kết quả là địa điểm bơm điện tích.

Bộ hiệu chuẩn phải được nối song song với mẫu thử, tại chính đầu mối của mẫu, với cùng mạch và cùng cách nối đất sẽ dùng cho thử nghiệm. Một bộ hiệu chuẩn kẹp ở đầu vào thiết bị, hoặc bơm riêng trên tụ ghép, chỉ chứng minh được rằng thiết bị có thể đếm; nó không nói gì về đường đi thực sự của xung phóng điện qua dây dẫn mẫu và trở kháng đo.

Hai kiểm tra thực tế đáng yêu cầu trong mọi báo cáo:

• Hiệu chuẩn trước và sau thử nghiệm. Nếu hệ số tỷ lệ trôi trong một lần chạy kéo dài 30 phút, lần hiệu chuẩn sau sẽ phơi bày điều đó. Trôi thường chỉ đến một mối nối lỏng hoặc sự thay đổi điện dung ký sinh, và toàn bộ lần chạy nên được lặp lại thay vì lấy trung bình.
• Độ chính xác và ngày hiệu chuẩn của bộ chuẩn. Một bộ chuẩn lần kiểm định cách đây 4 năm, với dung sai 5%, đã tiêu một nửa biên của giới hạn chấp nhận 10 pC.

Lỗi kinh điển trong công việc thanh cái là hiệu chuẩn khi mẫu thử đã ngắt. Khoảnh khắc thanh cái được nối vào, điện dung và điện cảm ký sinh của dây dẫn thay đổi hàm truyền, và lần bơm 50 pC trở thành một ẩn số tại đầu mối. Nếu bố trí được dựng lại sau khi hiệu chuẩn, kết quả hiệu chuẩn đó vô hiệu. Quy trình chất lượng của chúng tôi coi một mạch được dựng lại là một thử nghiệm mới, không phải sự tiếp tục.

Mạch phóng điện cục bộ băng hẹp thông thường rất đơn giản: mẫu thử, tụ ghép, trở kháng đo, bộ khuếch đại, bộ dò. IEC 60270 cho phép cả dò băng hẹp (thường tâm nằm giữa 100 kHz và 1 MHz) và băng rộng, và nhiệm vụ của tiêu chuẩn này là làm cho giá trị đo có thể truy vết, chứ không phải quy định một mạch duy nhất.

Thanh cái phá vỡ các giả định thuận tiện theo ba cách.

Điện dung. Cụm ép nhiều lớp dùng phim PET hoặc DLF là một tụ điện phân bố, và giá trị của nó có thể lớn so với tụ ghép. Nếu tụ ghép không lớn hơn một cách thoải mái so với mẫu, xung sẽ phân chia theo hình học, và việc hiệu chuẩn tại một điểm không còn đại diện cho toàn bộ mẫu.

Thời gian lên. Khoảng cách giữa các dây dẫn trong thanh cái nhỏ, nên xung ngắn và phổ của chúng mở rộng lên tần số cao. Một bộ dò đặt ở cửa sổ băng hẹp 100 kHz có thể đo thiếu các sự kiện nhanh nhất; bố trí băng rộng thấy được chúng nhưng cũng thấy nhiều nhiễu nền môi trường hơn. Do đó, dải tần, độ lợi và thang thời gian phải có trong báo cáo, không chỉ giá trị pC.

Hình học của đất. Các dây dẫn của chính thanh cái là một phần của đường đất khi lắp trong tủ. Thử một cụm trần trên bàn, với đường đất chạy ngang qua mặt mẫu, cho ra giá trị mang ý nghĩa khác so với cùng cụm đó được bắt vít vào cụm thanh cái đồng ở hướng lắp đặt cuối cùng. Nếu ứng dụng là đường DC của biến tần, hãy hỏi thêm ngữ cảnh thiết kế cảm thấp, bởi bố trí làm giảm cảm vòng cũng làm thay đổi nơi trường tập trung.

Ngoài ra, trở kháng đo không phải là một giá trị cố định theo tiêu chuẩn. Lựa chọn trở kháng RLC hay trở kháng chặn tần số sóng mang quyết định cửa sổ tần số mà mạch nhìn thấy; với thanh cái điện dung lớn, tải của nguồn cao áp và của tụ ghép có thể làm méo dạng xung trước khi nó tới bộ dò. Đó là lý do báo cáo cần ghi rõ loại trở kháng và dải tần danh nghĩa, chứ không chỉ nhà sản xuất thiết bị.

Mỗi con số phóng điện cục bộ là hiệu số giữa tín hiệu và nền, và cách trung thực nhất để công bố là nêu rõ nền. Một quy tắc chấp nhận phổ biến là nền không được vượt quá một nửa giới hạn chấp nhận — với giới hạn 10 pC, nền phải dưới 5 pC, và tốt nhất là dưới 2 pC. Một báo cáo ghi 9 pC đo trên nền 8 pC không phải đang báo cáo phóng điện; nó đang báo cáo môi trường.

Phân biệt loại nhiễu quan trọng không kém độ nhạy. Sơ đồ phân giải pha tách các đối tượng thường gặp:

• Khe khí bên trong trong cụm phim lặp lại hai lần mỗi chu kỳ, ổn định về pha và tăng theo điện áp một cách dự đoán được.
• Quầng điện từ dây cao áp hoặc đầu bọ nằm tại một pha cố định, thường không đối xứng giữa nửa chu kỳ, không dịch chuyển khi mẫu được định hướng lại, nhưng biến mất khi dây được đi lại khác.
• Hoạt động bề mặt tại cạnh cắt mang tính bất thường, nhạy với độ ẩm, và thường chỉ xuất hiện trên một ngưỡng điện áp mà ngưỡng đó thay đổi theo ngày.
• Nhiễu đóng cắt và truyền động từ bàn thử xe điện (EV) hoặc biến tần gần đó là nhiễu băng rộng và tương quan với trạng thái hoạt động của thiết bị khác, không phải với điện áp đặt.

Các phương pháp phi truyền thống — dò âm thanh, UHF, hoặc quang học — là công cụ đối chiếu hữu ích để xác định vị trí nguồn, nhưng chúng không thay thế được giá trị pC đã hiệu chuẩn khi tiêu chí chấp nhận được viết bằng picôculông.

Một cách phân biệt kiểm tra thực địa: thay mẫu thử bằng một tải giả trở trở kháng cao trên cùng dây dẫn, nếu nhiễu vẫn ở mức cũ thì nguồn không nằm ở mẫu; nếu nhiễu tụt ngay khi ngắt mẫu, tín hiệu mới thực sự bắt nguồn từ trong cụm. Thao tác này mất vài phút nhưng loại bỏ được phần lớn tranh cãi về việc liệu con số ghi nhận là phóng điện thật hay ô nhiễm điện mạng.

IEC 60270 là một tiêu chuẩn đo lường. Nó định nghĩa đại lượng, quy trình hiệu chuẩn và yêu cầu công bố. Nó chủ ý không đặt ra giới hạn chấp nhận, bởi một giới hạn phụ thuộc vào sản phẩm, cấp điện áp và hậu quả của sự cố.

Giới hạn đến từ nơi khác: một tiêu chuẩn sản phẩm, một đặc tả khách hàng, hoặc một quy tắc thiết kế nội bộ. Trong tủ điện đóng cắt hạ áp, thực hành kiểm định và phân chia trách nhiệm giữa thử nghiệm loại và thử nghiệm định kỳ được quy định tại IEC 61439. Khe hở khí và khoảng cách rò xác định mức ứng suất trường mà cách điện phải chịu đến từ IEC 60664-1, đó là lý do cuộc thảo luận về phóng điện cục bộ nếu thiếu hai con số đó là chưa trọn vẹn.

Trong thực tế, các đặc tả thanh cái ép nhiều lớp trong công nghiệp và xe điện thường yêu cầu khoảng 10 pC tại một bội số đã nêu của điện áp hệ thống lớn nhất, giữ trong một khoảng thời gian đã nêu, với tiêu chí áp dụng tại bước cuối cùng sau khi điện áp tăng dần. Điện áp chính xác, thời gian giữ và tiêu chí phải được ghi lại, bởi ba nhà cung cấp báo "10 pC" có thể đang thử ở ba điện áp khác nhau. Một nhà cung cấp báo cáo "không phóng điện cục bộ" mà không có điện áp và mức nền thì chưa báo cáo gì.

Còn một điểm về trình tự dễ bị bỏ sót: một phép thử phóng điện cục bộ thực hiện trước thử nghiệm điện áp cao có thể bị chính thử nghiệm điện áp cao làm mất hiệu lực, bởi nó có thể điều chế hoặc làm hỏng một khe khí biên. Khi cả hai đều được yêu cầu, thứ tự và lịch sử điều kiện phải nằm trong cùng một tài liệu. Chúng tôi trình bày khía cạnh chấp nhận của thử nghiệm điện áp trong hướng dẫn chấp nhận thử nghiệm điện áp cao.

Đồng thời, nhiều đặc tả hiện đại đặt ngưỡng tại mức điện áp vận hành danh nghĩa thay vì tại bội số của điện áp hệ thống lớn nhất, và yêu cầu xác định ngưỡng bắt đầu phóng điện PDIV cùng ngưỡng dừng phóng điện PDEV tại từng bước tăng áp. Việc giữ điện áp đủ lâu tại mỗi bậc — thường ít nhất 60 giây — cho phép hoạt động bề mặt ổn định và hiện ra trên sơ đồ pha; giữ quá ngắn có thể bỏ sót các khe khí chỉ nổ ở nửa chu kỳ sau khi điều kiện ẩm thay đổi.

Một cụm phim ép không phải là một điện môi đồng nhất. Nó là các lớp phim, keo, đồng và khí chưa được đẩy hết ra ngoài, và các vị trí phóng điện bám theo cấu trúc đó.

Khe khí giữa các lớp phim. Áp lực và nhiệt độ ép quyết định lượng khí còn lại tại bề mặt tiếp xúc. Một khe dày vài chục micromet giữa hai lớp PET chịu toàn bộ trường trên cách điện và là nguồn phóng điện nội dung trong sách giáo khoa. Đây là biến số quy trình, không phải biến số thiết kế: hai nhà cung cấp với cùng bản vẽ có thể khác nhau ở điểm này.

Cạnh lá và điểm ba. Nơi lá đồng kết thúc bên trong cách điện, trường tập trung tại cạnh, và điểm nơi đồng, phim và bất kỳ khí còn dư gặp nhau là một điểm ba với ứng suất tăng cường. Các gân kim loại để lại sau khi xả làm sự tập trung đó dịch chuyển xa hơn.

Cạnh cắt của linh kiện thành phẩm. Mặt cắt làm lộ cấu trúc lớp; nếu việc cắt là cơ khí và cạnh bị nhòe hoặc tách lớp, thì hiện tượng theo vết bề mặt và phóng điện bề mặt trở nên khả dĩ, đặc biệt ở độ ẩm cao.

Giao diện bulông và ống chèn. Một ống ren ép vào cụm tạo ra một đường đi nơi trường gặp một chi tiết kim loại với bề mặt khác và có thể có khe vi mô. Khe khí tại các giao diện này là lý do việc kiểm tra giao diện xuất hiện trong hướng dẫn kiểm tra khe khí và CT của chúng tôi, song song với các thử nghiệm điện.

Vị trí nào chiếm ưu thế phụ thuộc vào cấp điện áp và số lớp. Các thanh cái ắc quy số lớp cao với phim mỏng ở điện áp thấp có thể vượt qua dễ dàng; cùng cấu trúc đó ở 1.000 V DC với cạnh cắt ô nhiễm có thể trượt một giới hạn mà nó đã đạt được khi còn là mẫu thử. Đó là lý do một kết quả phóng điện cục bộ luôn nên được công bố cùng với hình học linh kiện mà nó được đo trên đó.

Độ ẩm và chu trình nhiệt cũng làm thay đổi bức tranh. Một cụm vượt qua phép đo trong phòng điều hòa có thể cho kết quả khác khi vận hành ngoài môi trường ẩm, bởi hơi nước ngấm vào cạnh cắt và giảm điện trở bề mặt. Vì vậy nếu sản phẩm dùng trong điều kiện môi trường quy định, báo cáo phóng điện cục bộ nên ghi rõ điều kiện khí hậu tại lúc thử; sự chênh lệch này thường nằm ngoài tầm kiểm soát của phòng thử nhưng lại là yếu tố quyết định tuổi thọ cách điện.

Một dòng duy nhất ghi "PD < 10 pC, đạt" không thể được kiểm toán. Sáu yếu tố làm một báo cáo trở nên dùng được, và sự vắng mặt của chúng là một điểm đàm phán chứ không phải một chi tiết kỹ thuật.

• Sơ đồ mạch với điện dung mẫu, điện dung tụ ghép, trở kháng đo và cách nối đất được vẽ đúng như lắp đặt.
• Hồ sơ hiệu chuẩn: model bộ chuẩn, ngày chứng chỉ, điện tích bơm, điểm bơm, và hệ số tỷ lệ trước và sau lần chạy.
• Mức nền đo với mẫu được cấp điện cùng điện áp nhưng loại bỏ nguồn phóng điện ở mức cao nhất có thể, hoặc đo trước giai đoạn tăng điện với mạch đóng.
• Chương trình điện áp: các bước, tốc độ tăng, thời gian giữ tại mỗi bước, và điện áp tại đó tiêu chí được áp dụng.
• Giá trị và sơ đồ: qmax tại mỗi bước cùng ảnh chụp phân giải pha có ghi độ lợi và thang thời gian, để người xem xét có thể biết hoạt động là nội bộ, bề mặt hay quầng điện.
• Tiêu chí và tuyên bố: điều khoản hoặc yêu cầu khách hàng mà giới hạn xuất phát, và một kết quả đạt/trượt rõ ràng tại điện áp đó.

Bốn cờ đỏ đáng nêu trước khi đặt hàng: hiệu chuẩn được nhắc đến mà không có điểm bơm; không có số nền; điện áp thử thấp hơn điện áp hệ thống lớn nhất của ứng dụng; và một báo cáo trích giá trị PD mà không có dải tần hoặc độ lợi. Mỗi yếu tố đó làm suy yếu tuyên bố, và không cái nào được khắc phục bằng cách lặp lại thử nghiệm tại cùng phòng với cùng thiếu sót.

Một báo cáo đạt chuẩn còn nên ghi ngày, người thực hiện, thiết bị đo kèm số series, và hình ảnh sơ đồ mạch đã lắp thực tế — không phải sơ đồ nguyên lý trừu tượng. Mục đích của các chi tiết này là để một kiểm toán viên hai năm sau có thể dựng lại đúng mạch và đối chiếu kết quả; khi không thể tái dựng, con số trên báo cáo chỉ còn là một tuyên bố tiếp thị.

In ra và giữ cạnh thiết bị. Mục này được viết cho một mẫu thanh cái ép nhiều lớp, và giả định mục tiêu là một con số mà người khác có thể bảo vệ được.

• 1. Đo điện dung mẫu và ghi lại, trước và sau khi nối.
• 2. Tụ ghép lớn hơn ít nhất một bậc thang so với điện dung mẫu, hoặc giải thích độ lệch.
• 3. Nối đất một điểm duy nhất, với đường đất không chạy ngang qua mặt mẫu.
• 4. Ghi nền tại điện áp thử, không phải tại 0; mục tiêu dưới một nửa giới hạn chấp nhận.
• 5. Bộ chuẩn bơm tại đầu mối mẫu, với mạch cuối cùng đã lắp.
• 6. Lặp hiệu chuẩn ở cuối lần chạy và so sánh hai hệ số tỷ lệ.
• 7. Ghi dải tần, độ lợi và thang thời gian vào nhật ký.
• 8. Các bước điện áp và thời gian giữ lấy từ đặc tả, bao gồm bước điều kiện nếu được yêu cầu.
• 9. Lưu ảnh chụp PRPD tại mọi bước có hoạt động, không chỉ bước cuối.
• 10. Trích tiêu chí từ nguồn của nó, và viết tuyên bố đạt theo điện áp thực tế đã áp dụng.

Không điều nào trong số này biến một linh kiện xấu thành tốt, và cũng không có việc làm giấy tờ cho riêng việc làm giấy tờ. Nó làm một linh kiện tốt trở nên có thể chứng minh — đó là điều duy nhất một phép đo phóng điện cục bộ có thể đóng góp cho quyết định mua hàng. Nếu linh kiện còn phải qua kiểm định cơ khí, cùng logic đó áp dụng cho đường đi từ mẫu thử đến sản xuất loạt, nơi bằng chứng phải gắn với đúng cấu hình xuất xưởng.