Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Основные параметры единичного частичного разряда
• Причины возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования
• Основные проблемы, возникающие при измерении сигналов ЧР в силовом оборудовании
• Определение типа источника сигналов ЧР
• Определение степени опасности источника ЧР
• Надежность обнаружения дефекта
• Система контроля изоляции СКИ-2
• Заключение

Введение

Частичный разряд (ЧР) - это искровой разряд очень маленькой мощности, который образуется внутри изоляции, или на ее поверхности, в оборудовании среднего и высокого классов напряжения. С течением времени, периодически повторяющиеся частичные разряды, разрушает изоляцию, приводя в конечном итоге к ее пробою. Обычно разрушение изоляции под действием частичных разрядов происходит в течение многих месяцев, и даже лет. Таким образом, регистрация частичных разрядов, оценка их мощности и повторяемости, а также локализация места их возникновения, позволяет своевременно выявить развивающиеся повреждения изоляции и принять необходимые меры для их устранения.

Определим основные термины и интегральные параметры, описывающие частичные разряды в высоковольтном оборудовании.

Все имеющиеся в мире стандарты по ЧР определяют некоторый набор "интегральных" величин, которые могут рассчитываться или непосредственно измеряться при тесте состояния изоляции. Стандарты разных стран могут различаться в деталях, но, в основном, но в основных понятиях они совпадают. В Европе используется стандарт IEC-270. Расчетные параметры, получаемые в приборе R2200, ориентированы на американский стандарт, потому, что прибор создавался для совместной продажи на рынках России и Америки. В России тоже ведутся разработки своего стандарта по ЧР, однако в настоящее время он еще не завершен.

Все стандарты по ЧР базируются на понятии "кажущийся заряд". Под "кажущимся" зарядом понимают такой заряд, который необходимо дополнительно и мгновенно "впрыснуть" в контролируемое оборудование, что бы восстановить равновесие, нарушенное возникновением импульса ЧР. В этом определении очень важным является то, что мы не знаем параметры реального заряда, например, внутри газового включения, а измеряем (замеряем) реакцию контролируемого высоковольтного объекта схемы на возникший ЧР. Заряд потому и назван "кажущимся", т.к. мы так считаем, не зная истинного значения реального ЧР. Измеряется кажущийся заряд ЧР в пКл (пикоКулонах). Если сложить все заряды, зарегистрированные в оборудовании за одну секунду, то получится ток ЧР - тот ток, который протекает в той цепи, которую контролирует датчик, дополнительно за счет возникновения ЧР. В среднем этот ток является чисто активным и характеризует потери в изоляции из-за возникновения ЧР.

Исторически важной характеристикой является "максимальный измеренный заряд". Почти все изготовители высоковольтного оборудования до сих пор пользуются этой величиной (если вообще чем-то пользуются) на приемных испытаниях. Конечно, понятно, что нужно измерять, что-то статистически достоверное. В старых приборах статистика задается временем усреднения, а в современных приборах это решается удалением из рассмотрения случайных одиночных выбросов. Например, в определении американского стандарта это звучит так: "амплитуда наибольшего повторяющегося разряда при наблюдении постоянных разрядов". Следовательно, этот термин не предусматривает анализ отдельных выбросов. Чтобы сделать это определение более конкретным, ограничимся учетом только тех ЧР, которые повторяются не менее 10 раз за секунду. В нашем случае, при частоте питающей сети в 50 герц, мы получаем, что один импульс должен быть не реже, чем за 5 периодов сети. Для удобства пользования этот термин будем брать в следующей формулировке: импульс ЧР будем считать периодически повторяющимся, если частота его следования составит 0,2 импульса на один период питающей сети. Далее в тексте параметр будет отражаться как Qmax. Для удобства пользования будем делать это одинаково для любой частоты сети, 50 и 60 герц.

Ценность этого параметра достаточно высока. Многие методы диагностики базируются на нем, хотя как отдельно взятый параметр - он скорее плохой, чем хороший, по крайней мере, при постоянном мониторинге под рабочим напряжением. Мы имеем много оборудования, где большие (по амплитуде) ЧР живут успешно годами, а малые, но с большой частотой повторения - означают реальную проблему.

Как посчитать потери вызванные ЧР. Очень можно сделать достаточно просто, физически, при каждом импульсе ЧР, мы дополнительно впрыскиваем из источника испытательного напряжения в контролируемый объект "кажущийся" заряд. Заряд инжектируется мгновенно и связан с конкретным напряжением питающей сети. Значит энергия, которая дополнительно вводится в оборудование из-за единичного ЧР, равна заряду, умноженному на мгновенное напряжение на объекте. Далее нужно просуммировать все импульсы и получить полную энергию ЧР. Если полную энергию поделить на полное время суммирования, то получим мощность ЧР. Этот параметр называется "потери энергии на частичные разряды".

Формула:

где:

P - мощность разрядов, W,

T - время наблюдения, сек,

m - число наблюденных импульсов за время T, и

Qi*Vi - энергия i-го импульса

частичный разряд высоковольтное оборудование

Основные параметры единичного частичного разряда

Вполне очевидно, что, базируясь на фазовом распределении импульсов ЧР, можно рассчитать мгновенное значение приложенного напряжения, конечно, если фазовая привязка импульсов выполнена правильно и достоверно рассчитана мощность. Однако совсем не все приборы регистрируют фазовое распределение импульсов, а если эта функция в них реализована, то используемый датчик ЧР может регистрировать импульсы ЧР с двух или даже трех фаз объекта. Какое напряжение следует брать в таком случае, с какой фазы? Для решения этого вопроса американский стандарт по ЧР предлагает использовать еще один диагностический параметр, который чаще всего называют PDI - "Partial Discharge Intensity". В этой величине вместо мгновенного напряжения в момент прохождения импульса ЧР, берется его действующее значение, т.е. одинаковое напряжение для всех импульсов, а не персональное для каждого. Проводя сравнительные расчеты можно убедиться, что итоговое различие параметров, рассчитанных в первом и во втором случаях, лежит в пределах 20 %. Этого вполне достаточно, что бы корректно оценить уровень и строить тренд. Параметр PDI является одним из основных, используемых для оценки интенсивности ЧР в контролируемом объекте.

Очень важными являются еще два параметра единичного частичного разряда, которыми оперируют практически все разработчики диагностического оборудования, и практические пользователи этого оборудования. Это частота и длительность импульса частичного разряда. Определим смысл этих параметров при помощи рисунка.

Во-первых, частота импульса частичного разряда. Несмотря на кажущуюся физическую простоту этого параметра, применительно к теории частичных разрядов он может иметь вариации. На рисунке 1.3 хорошо видно, что первый фронт импульса зарегистрированного импульса достаточно крутой, но уже после первого максимума сигнал "спадает" по более пологой кривой, которая постоянно меняет свою форму. В самом же конце импульса мы имеем затухающие колебания с более высокой частотой.

Что принять в данном случае за частоту импульса частичного разряда, начало, середину, или окончание импульса? Очевидно, что эти параметры могут различаться в практических случаях многократно, в несколько раз, что хорошо иллюстрирует приведенный рисунок.

Необходимо попытаться кратко пояснить физическую картину данного процесса. Очевидно, что первоначально импульс частичного разряда возникает непосредственно в зоне дефекта. Далее импульс распространяется, электромагнитным или электрическим способом, в окружающий объем, который также имеет свои электромагнитные свойства, отличные от свойств зоны дефекта. Различие свойств этой окружающей зоны приводит к появлению в регистрируемом сигнале колебаний с другой резонансной частотой. В конечном итоге импульс может затухнуть на еще большем удалении от места возникновения, от зоны дефекта, например, это может произойти уже в элементах конструкции оборудования. Нет необходимости подробно описывать, что частотные свойства этих сред также имеют свои резонансные свойства, причем, что самое важное, с частотными свойствами зоны дефекта они никак не связаны.

Мы автоматически приходим к выводу, что непосредственно к частоте импульса частичного разряда в зоне дефекта имеет отношение только его передний фронт, который в наибольшей мере соответствует частотным свойствам разряда. Все остальное в сигнале относится к электромагнитным свойствам среды вокруг зоны дефекта, и чем больше времени прошло с момента возникновения импульса, тем больший объем вокруг дефекта вовлечен в процесс колебаний, тем больше частот может быть "замешено" в сигнале.

Если это так, то истинная частота импульса частичного разряда, максимально достоверно, может быть определена только параметрами переднего фронта импульса, что полностью соответствует использованию математического выражения:

F = 1/4*T

Согласно этому выражению, величину "длительности одного периода импульса частичного разряда" можно определить как длительность переднего фронта импульса, умноженная на четыре. Данное определение не нужно путать с другим, более общим параметром, тоже часто используемым, называемым "длительностью импульса частичного разряда". Этот параметр мы определим иначе.

Во-вторых, общая "длительность импульса частичного разряда". С расчетом этого параметра импульса частичного разряда дело обстоит существенно проще. Для этого необходимо только принять решение о моменте времени, который следует считать окончанием импульса частичного разряда. Дело в том, при медленном затухании импульса в определении этого параметра может быть большой произвол.

Проще всего принять решение, что импульс частичного разряда можно считать оконченным, завершившимся, в тот момент времени, когда его амплитуда станет меньше значения в 10% от максимальной амплитуды данного сигнала. Ограничение в 10% является условным, это может быть и 5%, но именно 10% наиболее просто использовать на практике. При меньших значениях этого параметра окончание процесса труднее определить, в большей степени сказывается шум.

Таким образом, можно сказать, что каждый импульс частичного разряда характеризуется тремя параметрами. Это:

"Q" - величина кажущегося заряда, количественно пропорциональная максимальной амплитуде импульса.

"F" - частота импульса частичного разряда, количественно обратно пропорциональная длительности первого фронта импульса, умноженной на четыре.

"T" - длительность импульса частичного разряда, определенная по уровню 10% от максимального значения импульса.

Причины возникновения частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования

Появление частичных разрядов - начальная стадия развития большинства дефектов в высоковольтной изоляции. Возникшие частичные разряды со временем перерастают в искровые, и дуговые разряды, приводящие к авариям.

Обычно частичные разряды возникают в полостях и зонах изоляции, имеющих дефекты - посторонние вкрапления, газовые пузырьки, зоны увлажнения.

На участке роста приложенного к зоне дефекта напряжения возникает один или несколько частичных разрядов, приводящих к перераспределению потенциалов внутри объема изоляции.

Если дефект располагается ближе к внешней поверхности изоляции, к более высокому потенциалу, то частичных разрядов будет больше на положительной полуволне питающего напряжения, и меньше на отрицательной.

1. Метод контроля изоляции по характеристикам сигналов ЧР

Серьезные дефекты изоляции обычно обнаруживаются на стадии приемо-сдаточных высоковольтных испытаний и испытаний на месте монтажа. Если оборудование прошло эти испытания, то необнаруженные (или не проявившиеся) при их проведении дефекты изоляции (которые практически всегда имеются), не приводят к полному пробою изоляции в нормальных рабочих условиях. Однако, при дальнейшей эксплуатации оборудования, эти дефекты развиваются й растут. Их рост обусловлен появлением сравнительно небольших электрических разрядов в зоне повышенной напряженности поля вблизи дефекта, которые называют частичными разрядами. Под действием ЧР начинается разрушение изоляции, размер дефектной области и интенсивность разрядов увеличиваются. По мере развития дефекта энерговыделение в его зоне растет, и разрушение изоляции ускоряется за счет термических процессов. Увеличение дефектной области приводит к росту напряженности поля в оставшейся части изоляционного промежутка, и, когда дефектная зона достигает достаточно больших размеров, становится возможным сквозной пробой изоляции. Как правило, при отсутствии экстремальных воздействий (типа перенапряжений), процесс развития дефекта от зародышевой стадии до полного пробоя длится от нескольких месяцев до нескольких лет.

Таким образом, появление частичных разрядов свидетельствует о наличии дефекта изоляции, причем ЧР достигают обнаружимого уровня уже на самой ранней стадии развития дефекта. Измерение ЧР может проводиться в процессе нормальной работы оборудования без вывода его из эксплуатации и, при наличии устройств присоединения, даже без его кратковременного отключения.

1. Датчики сигналов ЧР

Возникновение электрического разряда вызывает сигналы трех типов: электрического, электромагнитного и акустического. Первые два типа сигналов различаются несколько условно, т.к. электрический сигнал всегда сопровождается электромагнитным, и различие между ними скорее относится к методам регистрации - электрический сигнал измеряется в проводах, а электромагнитный сигнал регистрируется с помощью антенны.

Соответственно для регистрации ЧР можно использовать электрические (подключаемые к входным или выходным шинам оборудования или шинам его заземления через конденсатор связи или трансформатор тока), электромагнитные (радиоприемники с антенной наружной или внутренней установки) и акустические (внутренние или наружные) датчики.

1. Электрические датчики

Наиболее чувствительными к сигналам ЧР являются электрические датчики, подключенные к высоковольтной шине контролируемого оборудования через конденсатор связи. Однако конденсатор связи имеет большие габариты и вес и практически не может использоваться при полевых работах. Поэтому электрические датчики обычно подключаются к ПИНам или измерительным выводам высоковольтных вводов (емкость которых используется как конденсатор связи) или к высокочастотным трансформаторам тока надетым на провода заземления элементов высоковольтного оборудования имеющих емкостную связь с высоковольтной шиной.

1. Акустические датчики

Обычно электрические датчики способны дать лишь очень грубую локализацию источника сигналов ЧР, основанную только на сравнении интенсивностей сигналов в различных точках оборудования, например с точностью до объекта, ввода и т.д. Локализация источника путем анализа временных задержек электрических сигналов требует весьма дорогостоящего оборудования и дает результаты только в распределенных системах с коаксиальной структурой, таких как элегазовые КРУ. Поэтому для локализации дефекта обычно используют акустические датчики, которые имеют значительно меньшую чувствительность, но, благодаря сравнительно низкой скорости распространения акустических сигналов (время прохождения звуковой волны значительно больше, чем длительность электрического импульса), позволяют провести довольно точную локализацию источника сигналов внутри объекта. При этом измеряется задержка момента прихода акустического импульса относительно электрического сигнала в нескольких точках оборудования и, на основании этого, вычисляется ориентировочное положение источника с учетом конструкции конкретного объекта. Акустические датчики практически не подвержены внешним помехам на силовом оборудовании подстанций (естественно, исключая двигатели и генераторы, контроль этого оборудования - отдельная тема).

1. Электромагнитные датчики

Электромагнитные датчики регистрируют электромагнитные сигналы ЧР с помощью антенны. Этот метод является одним из самых первых и наиболее удобных методов регистрации ЧР, т.к. обеспечивает дистанционные измерения без подключения к объекту. Однако, в силу исторических причин, в них использовался сравнительно низкочастотный диапазон волн (до нескольких десятков мегагерц), который практически не позволял применять их в полевых условиях из-за высокого уровня электромагнитных помех, и невозможности создания малогабаритных узконаправленных антенн. В последние годы, в связи с переходом в диапазон частот от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц, они снова находят широкое применение. В этом диапазоне частот уровень помех значительно ниже и можно использовать антенны с высокой степенью направленности обеспечивающие локализацию источника сигналов с точностью до нескольких десятков сантиметров. Эти датчики наиболее чувствительны к дефектам в наружных частях оборудования (таких как вводы и изоляторы), сигналы от дефектов расположенных внутри металлического бака сильно ослабляются.

Основные проблемы, возникающие при измерении сигналов ЧР в силовом оборудовании

Подавление сигналов помех.

Наибольшие трудности при измерении электрических сигналов ЧР в условиях эксплуатации вызывает отделение сигналов ЧР возникающих в высоковольтной изоляции контролируемого оборудования от внешних и внутренних помех различного происхождения. Источниками импульсных сигналов (помех), регистрируемых на вводах и заземляющих цепях высоковольтного оборудования, являются

1. различного рода преобразователи (частоты до 1 МГц) переключение контактов РПН и выключателей соседних линий и т.д. (частоты до 10 МГц)

2. корона на подводящих проводах и окружающем оборудовании (частоты примерно до 400 МГц)

3. дефектные изоляторы соседних порталов особенно на линиях 750 кВ (во всех диапазонах)

4. дефектные изоляторы шин 10 кВ (особенно штыревых на старых подстанциях) (во всех диапазонах)

5. сигналы ВЧ связи (частоты до 500 кГц)

и многие другие. Внутренними источниками помех являются искровые разряды в дефектных элементах магнитопровода и паразитных вторичных контурах (во всех диапазонах).

Интенсивность мешающих сигналов при полевом контроле оборудования весьма высока. На оборудовании класса 220 кВ и выше фактически всегда присутствуют мощные сигналы положительной короны, достигающие амплитуды 10 нКл при интенсивности несколько импульсов за период. Понятно, что все эти сигналы не характеризуют состояние высоковольтной изоляции оборудования и их необходимо отделять от собственно сигналов ЧР, возникающих внутри контролируемого объекта. Подавление помех производится на нескольких стадиях, начиная с выбора частотного диапазона регистрирующей аппаратуры, измерения и вычитания фона, анализа амплитудно-фазовых диаграмм (АФД) сигналов и их временных зависимостей и заканчивая сопоставлением сигналов различных каналов (электрических, акустических и электромагнитных).

В первую очередь помехи подавляются правильным выбором частотного диапазона, в котором отношение сигнал/помеха является максимальным. Частотный диапазон определяется исходя из соображений максимального подавления помех при достаточно хорошей регистрации сигналов ЧР от дефектов изоляции.

Очень широко распространено заблуждение, что измерять сигнал нужно в том частотном диапазоне, в котором величина спектральных компонент сигнала максимальна. При этом берется частотный спектр экспоненциального импульса и показывается, что амплитуда его спектральных составляющих максимальна в диапазоне низких частот и растет с понижением частоты. Отсюда делается вывод, что измерять его нужно именно на низких частотах, да еще и с применением интегратора.

Такая точка зрения глубоко ошибочна. Это очевидно хотя бы потому, что, следуя ей, мы должны включить в измеряемый диапазон частот и частоту 50 Гц (с совершенно очевидным результатом). Кроме того, форма сигнала в точке подключения измерителя ЧР, как правило, не является экспоненциальной, особенно в случае образования ЧР в изоляции обмоток, но обсуждение этого далеко выходит за рамки данной работы.

На самом деле измерения должны проводится в том частотном диапазоне, в котором максимально отношение сигнал/помеха (в понятие помеха включается также собственный шум усилителя).

Большинство существующих сегодня измерителей ЧР работает в диапазоне частот до 1 - 2 МГц. Этот диапазон определился исторически, т.к. используемая в те времена аппаратура не позволяла измерять сигналы в более высокочастотной области, и зафиксирован ГОСТом. Поэтому, следуя традиции, он используется и сейчас.

Частотный диапазон основных промышленных помех сильно зависит от условий на каждой конкретной подстанции, но помехи максимальной интенсивности наблюдаются в основном на частотах ниже нескольких мегагерц. Поэтому стандартные измерители ЧР практически непригодны для применения в условиях эксплуатации из-за очень низкого отношения сигнал/помеха. Именно неудачные попытки их использования в условиях эксплуатации и привели к серьезному недоверию к самому методу.

В то же время верхняя граничная частота сигналов ЧР от дефектов в бумажно-маслянной изоляции достигает нескольких сотен мегагерц (в элегазе - до нескольких гигагерц), а большая часть сигналов помех имеет частотный диапазон ниже 10 МГц. Поэтому оказывается, что максимальное отношение сигнал/помеха достигается при использовании частотного диапазона с нижней граничной частотой превышающей 10 МГц. При выборе нижней границы более 400 МГц перестают мешать даже сигналы положительной короны. Сегодня при регистрации ЧР используются приборы с частотным диапазоном, достигающим 2.5 ГГц.

При выборе частотного диапазона следует учитывать и ослабление сигналов ЧР при их прохождении от точки возникновения до точки подключения аппаратуры. Согласно некоторым имеющимся данным, сигналы с частотами более 100 МГц сильно ослабляются внутри самого оборудования (кроме КРУЭ, имеющих коаксиальную структуру). Поэтому, с точки зрения получения максимального отношения сигнал/помеха в точке подключения, наиболее предпочтительным диапазоном для измерения электрических сигналов ЧР в силовом оборудовании в условиях эксплуатации представляется частотный диапазон 10 - 100 МГц. Возможно, верхняя граница оптимального частотного диапазона значительно превышает 100 МГц, но имеющиеся сегодня данные недостаточны для такого утверждения.

Вторая стадия подавления помех - подавление фона внешних сигналов. Это может осуществляться двумя методами:

1. путем измерения фона при отсутствии напряжения на контролируемом объекте с последующим его вычитанием из результатов измерений;

2. путем блокирования регистрации сигналов ЧР при совпадении их с сигналами антенного датчика регистрирующего внешние сигналы помех.

Первый метод может применяться только в компьютерных системах с амплитудным и фазовым разрешением и запоминанием результатов. Для второго метода используется специальный антенный датчик (электромагнитный канал), регистрирующий внешние сигналы в том же частотном диапазоне, что и электрические датчики ЧР. На практике первый способ оказывается более предпочтительным, т.к. трудно согласовать пороги, коэффициенты передачи и частотные характеристики антенных датчиков с датчиками ЧР, поэтому коэффициент подавления помех при использовании второго метода оказывается недостаточным.

Третья стадия - анализ АФД сигналов и их временных параметров. Это позволяет отсечь сигналы короны, имеющие очень характерную форму и легко распознаваемые по АФД. Конечно, сигналы короны могут маскировать сигналы ЧР от дефектов изоляции с той же амплитудой и фазой, однако диапазон фазовых углов, в которых наблюдаются сигналы короны, невелик, и вероятность полного совпадения АФД сигналов от дефекта и короны мала. При достаточной статистике (при суммировании данных измерений более чем за 500 периодов сети) удается измерять сигналы ЧР, амплитуды которых в 10 - 100 раз ниже, чем у импульсов короны. Сигналы от искровых разрядов в элементах магнитопровода тоже имеют весьма характерную АФД, однако, амплитуда и интенсивность этих сигналов могут быть велики, и на их фоне выделить сигналы ЧР от дефектов высоковольтной изоляции довольно трудно. Но, хотя дефекты магнитопровода и не относятся к изоляции, их обнаружение тоже является одной из задач диагностики. Кроме того, сильная вибрация магнитопровода приводит к довольно характерной зависимости АФД этих сигналов от времени, которая позволяет идентифицировать дефекты такого типа. Правда, при этом регистратор ЧР должен обеспечить достаточно долговременное наблюдение и запоминание информации (режим мониторинга). Искровые пробои в изоляторах подводящих шин 10 кВ (если они существуют) устраняются путем отключения этих шин и запитки объекта по стороне СН или ВН.

Последней стадией разделения сигналов ЧР в высоковольтной изоляции и помех является сравнение сигналов электрического канала с сигналами акустического и электромагнитного каналов регистрации.

Существует еще несколько частных методов устранения помех применимых для конкретного типа оборудования и схем измерения, например селекция импульсов по длительности, сравнение времени прихода сигналов от нескольких параллельных каналов регистрации, отбрасывание импульсов приходящих в один и тот же временной интервал в системах с разделенными фазами и т.д.

Зарубежные системы регистрации ЧР часто основываются только на акустических датчиках, для которых внешние помехи практически отсутствуют (исключая двигатели и генераторы). Однако наш опыт работы с высокочувствительными акустическими датчиками показал, что практически во всех силовых трансформаторах присутствуют интенсивные импульсные акустические сигналы, источниками которых являются элементы магнитопровода и конструкции. Эти сигналы имеют частотный диапазон вплоть до 200 кГц. И хотя источники этих сигналов могут быть локализованы, эта процедура весьма трудоемка, т.к. требует снятия сетки с шагом 10 - 20 см на достаточно большой площади либо применения дорогостоящих и неудобных многоэлементных датчиков.

Электромагнитный канал наиболее чувствителен к дефектам во вводах и прилегающих к ним элементах оборудования. При выборе рабочей частоты, превышающей 400 МГц, сигналы положительной короны практически полностью подавляются. При этом сигналы ЧР от источников находящихся во вводах или в непосредственной близости к ним регистрируются с высокой чувствительностью и практически без помех.

Измерение величины ЧР.

Как правило, источник ЧР расположен в толще изоляции, и поместить туда измерительный прибор невозможно. Аппаратуру для регистрации можно подключить только к наружным частям контролируемого оборудования (исключая случаи встроенных датчиков). Сигнал при прохождении через внутренние элементы оборудования ослабевает, и форма его искажается. Степень ослабления сигнала и искажения его формы зависят от типа источника сигналов (дефекта), места его образования (которое исходно неизвестно), конструкции оборудования, используемого диапазона частот, способа подключения и т.д. Поэтому точно оценить исходную величину частичных разрядов и степень их опасности на основании измерения только величины сигнала в точке подключения аппаратуры (а только это и меряют практически все существующие на сегодня измерители ЧР) практически невозможно.

Для определения величины ЧР в точке возникновения необходимо определить место расположения и тип дефекта. Только тогда, зная конструкцию контролируемого объекта, можно оценить ослабление сигналов при прохождении их до точки подключения измерительной аппаратуры.

Определение типа источника сигналов ЧР

После отделения мешающих сигналов можно определить тип источника этих сигналов по их амплитудно-фазовой характеристике и ее зависимости от времени. Локализация местоположения источника сигналов ЧР, проведенная ориентировочно путем сравнения электрических и электромагнитных сигналов в различных точках оборудования, и более точно - по задержке акустических сигналов (если это удалось сделать), очень помогает при анализе данных. Идентификация дефектов осуществляется исходя из полуэмпирических данных и накопленного (не только нами) опыта. На уровне сегодняшних знаний идентификация типа источника ЧР по данным, полученным в реальных условиях эксплуатации, является достаточно трудоемкой задачей и требует большого опыта и высокой квалификации. Несмотря на существующие данные об АФД дефектов различного типа, при анализе требуется хорошее знание конструкции и параметров конкретного оборудования, условий проведения измерения и т.д. Кроме того, очень существенным является комплексное использование всех данных, полученных другими диагностическими средствами (измерение сопротивления и tg д изоляции, хроматографии газов в масле, тепловизионного контроля и т.д.) и предыстория контролируемого объекта (срока службы, нагрузки, наличие КЗ и т.д.).

Следует отметить, что при использовании систем измерения ЧР, не обеспечивающих измерения их амплитудно-фазовых характеристик и статистического накопления данных за достаточно большой интервал времени, в условиях эксплуатации практически невозможно идентифицировать тип источника сигналов ЧР и определить степень его опасности. Поэтому любая современная система контроля ЧР должна использовать обеспечивать амплитудное и фазовое разрешение сигналов ЧР и использовать вычислительные средства для сбора, хранения и обработки полученной информации.

Определение степени опасности источника ЧР

Естественно при диагностике состояния изоляции оборудования в основном интересует только один вопрос - сколько оно еще проработает? Определить время, через которое частичные разряды перерастут в полный пробой изоляции в реальных условиях эксплуатации практически невозможно даже без учета экстремальных воздействий (грозовые и коммутационные перенапряжения и т.д.). Поведение ЧР в процессе развития дефекта статистически весьма неоднородно. По существующим данным, амплитуды сигналов ЧР непосредственно перед пробоем даже уменьшаются, хотя интенсивность их, как правило, растет. Поэтому на сегодня не существует сколько-нибудь точных методов оценки времени оставшегося до полного пробоя изоляции. С учетом наличия экстремальных воздействий ситуация становиться еще печальнее. Однократное измерение сигналов ЧР (как, впрочем, и любых других доступных характеристик изоляции) не позволяет дать надежную оценку степени опасности дефекта и времени безаварийной работы оборудования ("времени жизни").

Однако не все так плохо. Хотя однократное измерение ЧР и не дает надежной информации о "времени жизни" изоляции, периодическое измерение характеристик сигналов ЧР позволяют оценить скорость развития дефекта, что является чрезвычайно важной характеристикой дефекта. Скорость изменения характеристик ЧР резко возрастает в предпробойной стадии, что служит достаточно хорошим указателем на достижение дефектом этой стадии развития. Именно высокая скорость изменения характеристик сигналов ЧР служит достаточно надежным указателем на близость полного пробоя.

Наиболее точную характеристику степени опасности дефекта можно получить только при использовании комплексного подхода с учетом всех доступных на сегодня данных - в первую очередь хроматографии масла (газы и радикалы), измерений tg д и сопротивления изоляции, тепловизионного контроля и т.д. Причем здесь также наиболее информативными параметрами (за исключением тепловизионного контроля) являются не столько абсолютные значения, сколько скорости их изменения.

Таким образом, при использовании периодических измерений оценить степень опасности дефекта все-таки возможно, особенно если правильно определены тип и локализация дефекта, являющегося источником ЧР.

Для определения степени развития дефекта система измерения сигналов ЧР должна обеспечивать запись амплитудно-фазовых характеристик сигналов ЧР с хорошей статистикой (500-5000 периодов сети). Наиболее удобным является накопление данных за каждые 10-15 минут в течение периода от нескольких часов до нескольких суток (весьма желательно иметь несколько таких записей с интервалом в несколько месяцев для оценки тренда). Необходима также достаточно точная локализация источника ЧР для оценки ослабления сигналов и, соответственно, величины ЧР в точке возникновения.

При наличии этих данных (в совокупности с данными хроматографии и др.) можно определить вероятную стадию развития дефекта - начальную, среднюю и конечную (предперебойную). Такое деление базируется на сравнительно небольшом объеме эмпирических данных и, пока не накоплен достаточно большой объем информации, не претендует на высокую точность. Оно несколько условно, однако позволяет предложить некоторые действия. Например, если дефект находится в начальной стадии, оборудование можно оставить в работе и поставить на периодический контроль по газам в масле, tg д изоляции и т.д. На средней стадии при повышенном содержании газов в масле можно рекомендовать плановый вывод в ремонт или продолжение эксплуатации с учащенным контролем параметров изоляции и их тренда. Если это конечная стадия, скорость нарастания газов велика и идет нагрев изоляции (на этой стадии тепловизионный контроль уже может дать результаты) тогда следует немедленно выводить оборудование из работы.

Надежность обнаружения дефекта

Нестабильность горения дефекта

Интенсивность горения дефекта сильно флуктуирует во времени. Дефект, особенно в начальной стадии развития, может гореть (генерировать сигналы ЧР) несколько минут или часов, затем практически погаснуть на значительное время. Опыт показывает, что для надежной фиксации всех дефектов необходимо проводить непрерывные измерения ЧР не менее суток (а лучше несколько суток). При этом вероятность обнаружения дефектов значительно возрастает. Для более точной оценки степени опасности дефекта и скорости его роста, желательно провести несколько таких измерений с интервалом в несколько месяцев (если дефект находится в начальной или средней стадии развития).

Дефекты в зонах с большим коэффициентом ослабления

В изоляции силового оборудовании есть зоны, имеющие большой коэффициент ослабления сигнала ЧР при прохождении его к точкам подключения измерительной аппаратуры. Сигналы ЧР, возникающие в таких зонах достигают точек подключения аппаратуры с очень большими коэффициентами ослабления (до нескольких сотен раз). По принятой на сегодня практике, с учетом реальных условий эксплуатации, нижний порог сигналов ЧР в точке подключения, на которые следует обращать внимание 50 - 500 пКл в зависимости от условий измерения (кроме КРУЭ). Сигналы, поступающие из зон с большим ослаблением, могут не достигать этого уровня, хотя в точке возникновения их амплитуда может превышать несколько нанокулон и приводить к интенсивному разрушению изоляции.

К таким дефектам относятся, например, поверхностные разряды в фарфоровой покрышке высоковольтных вводов. Емкость связи с нулевой обкладкой ввода - единицы и доли пикофарады, а емкость самой обкладки несколько сотен пикофарад, поэтому коэффициент ослабления этих сигналов очень велик. Для регистрации сигналов ЧР от дефектов этого типа лучше всего подходит электромагнитный антенный датчик с частотой настройки превышающей 500 МГц. Опыт работы с таким датчиком, настроенным на частоту 700 МГц показал, что при этом сигналы ЧР от дефекта надежно регистрируются, а сигналы наводок практически отсутствуют.

При локализации дефектов в зонах с большим ослаблением внутри бака, вероятно, более подходят акустические датчики. За рубежом используют также встроенные в бак антенны для электромагнитных датчиков СВЧ диапазона.

Основные требования к системам измерения сигналов ЧР в условиях эксплуатации

Суммируя все вышесказанное и учитывая накопленный опыт работы на подстанциях можно сформулировать основные требования к аппаратуре измерения сигналов ЧР предназначенной для работы в условиях эксплуатации. Приведённые ниже. технические параметры сформулированы на основе собственного опыта измерений ЧР в полевых условиях (на подстанциях Ленэнерго, МЭС Северо-Запада, ТЭРЗе, заводе Электроаппарат). Вполне возможно, что данные требования не являются достаточными для обнаружения и локализации всех возможных дефектов изоляции оборудования, однако, несомненно, они являются необходимыми для создания современной системы контроля высоковольтной изоляции. Их можно условно разбить на три группы - обязательные, желательные (рекомендуемые) и дополнительные.

1. Обязательные требования

2. Система должна включать в себя компьютер для сбора, запоминания и достаточно серьезной обработки информации способный работать в режиме автоматического мониторинга с непрерывным накоплением и записью информации.

3. Система должна иметь в своем составе датчики всех трех типов - электрические, акустические и электромагнитные для надежного обнаружения и локализации всех дефектов изоляции

4. Система должна обеспечивать регистрацию сигналов ЧР с амплитудным и фазовым разрешением для всех трех типов датчиков

5. Система должна обеспечивать одновременную синхронную регистрацию сигналов электрического и электромагнитного каналов (как минимум)

6. Система должна иметь в своем составе калибровочные источники электрического и акустического сигналов для измерения реальной чувствительности датчиков и задержек сигналов при акустических измерениях.

При невыполнении обязательных требований, система регистрации ЧР просто не в состоянии обеспечить выделение сигналов ЧР из помех, обеспечить надежную локализацию и идентификацию дефектов.

1. Желательные (рекомендуемые) требования

Рекомендуется иметь следующие временные и Частотные характеристики каналов регистрации сигналов ЧР:

1. временное разрешение при регистрации сигналов всех типов - не хуже 10 мксек

2. частотный диапазон датчиков электрического канала: нижняя граничная частота 1-10МГц, верхняя - 30-100 МГц

3. частотный диапазон датчиков акустического канала: нижняя граничная частота 50 - 100 кГц, верхняя - 120 - 300 кГц

4. частотный диапазон датчиков электромагнитного канала: нижняя граничная частота 300 - 700 МГц, верхняя - 700 МГц - 1 ГГц

Диапазоны входных сигналов, регистрируемых электрическими датчиками системы должны захватывать диапазон амплитуд (зарядов) от 1 пКл до 100 нКл. При этом диапазон регистрации без переключения чувствительности должен составлять не менее 40 дБ (желательно 60 дБ). Чувствительность приемника электромагнитного канала должна быть лучше 20 дБ. Предусилители акустических датчиков должны иметь хорошее подавление низкочастотных сигналов и иметь уровень шумов менее 20 мкВ.

При несоблюдении этой группы требований становится значительно труднее выделять собственные сигналы ЧР из помех, проводить локализацию дефекта и регистрировать сигналы ЧР из зон с большим ослаблением.

1. Дополнительные требования

2. минимальное число подключаемых электрических датчиков ЧР - не менее 8 (6 вводов + бак + нейтраль)

3. минимальное число подключаемых акустических датчиков ЧР - не менее трех (для удобства локализации) с возможностью использования акустических датчиков различных типов

4. минимальное число подключаемых электромагнитных датчиков ЧР ~ не менее одного (рекомендуется 3)

Требования этой группы обеспечивают удобство и оперативность проведения измерений и высокую надежность результатов за счет использования одновременной параллельной регистрации по нескольким каналам.

Система контроля изоляции СКИ-2

Система разработана более трех лет назад. Первая версия системы предназначалась для работы в режиме непрерывного мониторинга КРУЭ и содержала только электрические датчики. Она функционирует уже около двух лет на 34 подстанции СПб (Ленэнерго). Второй вариант системы был изготовлен для выходных испытаний в лаборатории завода "Электроаппарат”, а третий, переносный вариант, адаптирован под работу с маслонаполненным оборудованием. За два года эксплуатации система претерпела значительные изменения. Был расширен диапазон входных сигналов, в состав системы вошли акустические и электромагнитные датчики, разработаны программы для накопления и обработки данных, изготовлены приспособления для быстрого подключения к объектам испытаний и т.д. В своем конечном варианте эта система удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям. Она использовалась на разных типах маслонаполненного силового оборудования различных классов от 110 до 750 кВ с мощностью от 50 до 500 МВт, показала высокую надежность и удобство в эксплуатации.

Заключение

Измерение сигналов ЧР в реальных условиях эксплуатации хотя и сталкивается с определенными трудностями, однако, является вполне решаемой задачей. Система СКИ-2 была испытана на силовом оборудовании подстанций практически всех классов и мощностей. Она использовалась как при однократных измерениях, так и в режиме непрерывного автоматического мониторинга. Время обследования составляло от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от требований, условий работы и состояния контролируемого оборудования. При грубом оперативном контроле время, необходимое для обследования составляет около двух часов. Аппаратура надежно регистрирует сигналы ЧР с уровнями 50 - 500 пКл даже в условиях очень сильных помех высокой интенсивности с амплитудой достигающей 15 нКл (в лабораторных условиях порог регистрации составляет менее 0.5 пКл).

По мере работы расширяется база данных по сигналам ЧР, накапливается опыт идентификации дефектов при разборке оборудования после обследования, определяются характерные для конкретного оборудования типы дефектов. Пока еще не накоплен необходимый опыт при работе с акустическими датчиками, недостаточно отработаны методы обследования и обработки данных. Использование электромагнитного канала дает хорошие результаты, позволяет проводить оперативный дистанционный контроль вводов, изоляторов и трансформаторов тока, в частности ТФРМ-330.

На наш взгляд метод контроля состояния изоляции по характеристикам сигналов ЧР необходимо как можно шире внедрять в практику для проведения периодических обследований оборудования подстанций. При периодическом контроле резко возрастает надежность обнаружения дефектов изоляции и точность оценки степени их опасности. Широкое применение этого метода должно существенно снизить количество аварий.

Для обеспечения низкой стоимости и оперативного проведения измерений сигналов ЧР и tg д под рабочим напряжением без коммутаций контролируемого оборудования на наш взгляд необходимо оснащение контролируемых объектов устройствами подключения. Сегодня уже существуют образцы таких устройств, которые хотя и вызывают много нареканий, но обеспечивают быстрое и оперативное подключения аппаратуры без вывода объекта из эксплуатации. Наличие устройств подобного типа позволит обеспечить недорогой периодический контроль практически всего высоковольтного оборудования РУ. Стоимость этих устройств очень быстро окупится за счет уменьшения стоимости измерений и времени их проведения. Следует также учесть снижение количества коммутаций оборудования.

Размещено на Allbest.ru