CC BY
29
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4)
05.00.00 Технические науки
УДК 621.313:47.05.15
Н.В. Силин
Силин Николай Витальевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой теоретической и общей электротехники ДВГТУ. E-mail: [email protected]
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотрены вопросы контроля и технического диагностирования электротехнического оборудования путем анализа спектрального состава излучаемого им электромагнитного поля. Показана тесная связь спектров с физико-химическими процессами в изоляции и конструктивных узлах. Представлен перечень электромагнитных шумов, определяющих интенсивность спектров электромагнитного излучения.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, диагностика, электротехническое оборудование.
Nikolay V. Silin
ELECTROMAGNETIC CONTROL OF ELECTROTECHNICAL EQUIPMENT
The article covers the problems of electrotechnical equipment control and diagnostics by analysis of its own electromagnetic radiation. The close connection of the spectrums with physical and chemical processes in the insulation and constructional units is shown. The author presents the list of electromagnetic noises determining spectrum intensity.
Key words: electromagnetic radiation, diagnostics, electrotechnical equipment.
Работа любого электротехнического оборудования сопровождается электромагнитным излучением (ЭМИ). Это явление обусловлено не только направленным движением заряженных частиц, так называемой полевой ионизацией, но и хаотичным движением под действием тепловых процессов (тепловой ионизацией). Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что электромагнитные поля, создаваемые электротехническими устройствами во
внешней области пространства, отражают их внутреннее состояние. Внешнее электромагнитное поле оборудования, работающего в нормальном режиме, отличается от поля оборудования, в котором появились дефекты или изменились условия эксплуатации. Очевидно, что внешние электромагнитные поля электротехнического оборудования можно рассматривать как информационные и использовать их для решения задач контроля и технического диагностирования. В качестве диагностических параметров можно использовать ряд характеристик электромагнитного поля. Например, это могут быть модуль вектора или составляющие векторов напряженности электрического и магнитного полей, интегральные параметры, связанные с электромагнитным полем.
Преподавателями кафедры теоретической и общей электротехники ДВГТУ совместно с сотрудниками лаборатории электрофизики и электроэнергетики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН разработан и запатентован электромагнитный способ контроля электротехнического оборудования, раскрывающий возможности, появляющиеся при анализе спектрального состава внешнего электромагнитного излучения электротехнического оборудования [1]. Связь между величинами источников электромагнитных излучений и измеряемых напряжений можно представить в матричной форме:
и(|ю) = К(|ю) Б(|ю),
где и(]ю) и Б(|ю) - векторы спектров напряжений и источников соответственно, К(]ю) - матрица комплексных коэффициентов передачи соответствующих размеров. Если матрица коэффициентов передачи К(|ю) квадратная, то решение имеет вид:
Е(|ю) = К‘1(]ш) и(|ш).
Таким образом, по измеренным спектрам напряжений можно определить спектры источников излучений. Сведения о динамике изменения спектра электромагнитного излучения могут быть использованы при составлении прогноза технического состояния оборудования. Уровень электромагнитного излучения определяется интенсивностью полевой и тепловой ионизаций. Статистические данные показывают, что до 80% дефектов связаны именно с этими электротер-
мическими явлениями. Электрические пробои, частичные и ползущие разряды, повышенный нагрев локальных зон, перегрев контактов и т.д. - все эти явления приводят к повышению уровней электромагнитного излучения. Информация о появлении дефектов немедленно появится в составе импульсов электромагнитного поля, отразится на спектральном составе регистрируемого электромагнитного излучения. Это обстоятельство позволяет контролировать и предотвращать внезапные отказы электротехнического оборудования.
Что же представляют собой спектры внешнего электромагнитного поля электротехнического оборудования и в чем их особенности? В первую очередь следует отметить их тесную связь с физико-химическими процессами, протекающими в изоляции, узлах и конструктивных элементах. Тепловое и электрическое разрушение изоляции, нарушение взаимосвязей между молекулами за счет химических процессов сопровождается движением и взаимодействием носителей зарядов, возбуждением и излучением электромагнитных колебаний. Вследствие этого классификация отказов технических устройств по их физической природе представляет собой прежде всего классификацию физико-химических процессов, непосредственно или косвенно влияющих на работоспособность элементов и возникновение отказов, а также классификацию условий протекания этих процессов. Конкретные механизмы нарушений определяются общими физико-химическими процессами изменений структуры, свойств и параметров элементов, причем закономерности, характеризующие эти процессы, могут непосредственно служить моделями отказов или являются основой для построения некоторых общих физических моделей отказов и процессов их возникновения. В качестве наиболее общих физико-химических процессов в материалах, которые могут быть связаны в той или иной степени с возникновением нарушений работоспособности и отказов, необходимо указать следующие:
диффузионные тепловые процессы в объеме и на поверхности твердых тел; перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;
функциональный разрыв межатомных связей в металлах и сплавах;
разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов;
сорбционные процессы;
действие поверхностно-активных веществ;
сублимация материалов;
структурные превращения в сплавах металлов и др.
К общим физическим моделям отказов и процессов их возникновения относятся:
деформация и механическое разрушение различных материалов элементов (деталей);
электрическое разрушение (нарушение электрической прочности, электрический пробой) диэлектрических материалов;
тепловое разрушение (нарушение тепловой устойчивости, перегорание, расплавление и т.п.) элементов;
электрохимическая коррозия; электротермическая эрозия;
истирание (изнашивание) поверхностей деталей; сцепление (схватывание) поверхностей соприкасающихся деталей; загрязнение поверхности и материала элементов и многие другие. Физико-химические процессы в изоляции и проводниках электротехнического оборудования, связанные с движением носителей зарядов, сопровождаются изменениями токов и напряжений в отдельных элементах конструкции. Эти хаотические изменения токов и напряжений называют электрическими шумами. Шум может быть обусловлен как самим механизмом протекания электрического тока, так и хаотическими изменениями неэлектрических параметров, преобразуемых в соответствующие отклонения величин токов и напряжений. На практике шумом можно считать любое нерегулярное или хаотическое изменение параметра, обусловленное большим числом случайных событий. Шумы присутствуют в любых системах и средах.
Наиболее распространенные источники шума имеют такой характер, что их средние значения и средние квадраты не зависят от времени. В этом случае
шумы являются стационарными. Шумовые процессы, действующие в слабодефектном электротехническом оборудовании, в большинстве случаев являются стационарными. Шумовые токи и напряжения являются случайными переменными, поэтому для их описания используют аппарат статистики. Тепловой, барьерный, диффузионный, генерационно-рекомбинационный шумы, наиболее распространенные в электротехническом оборудовании, обладают «белым» спектром в широком диапазоне частот. Фликкер-шум, при тех или иных условиях наблюдаемый практически во всех электронных приборах и компонентах, связывают с наличием неоднородностей. Известно, что фликкер-шум пропорционален квадрату тока и обратно пропорционален квадрату частоты.
В проводниках и диэлектрических средах протекают все рассмотренные шумовые токи. При этом наружные проводники выступают в роли излучающих антенн, обладающих резонансными свойствами [2].
Например, на рисунке изображен качественный вид спектров, наблюдаемых вблизи электротехнического оборудования, имеющего вертикальные вводы. В этом спектре присутствуют шумовые составляющие с равномерными, фликкерными, генерационно-рекомбинационными спектрами, детерминированные компоненты с частотой сети Бе и ее высшими гармониками. Интенсивности детерминированных компонент на частотах свыше 1 МГц, как правило, ниже уровня лавинного шума с равномерным спектром. Появление и расширение дефектных областей неизбежно сопровождается ростом уровня лавинного шума. Лавинные шумы с равномерными спектрами, попадая в резонансные частотные полосы колебательных систем и антенн, излучаются в окружающее пространство в виде высокочастотных и сверхвысокочастотных квазигармони-ческих колебаний (см. пики ац, Ьц,... на рис. б) с частотами, близкими к резонансным частотам колебательных систем оборудования, лежащим внутри информативных (в плане диагностирования) частотных полос излучений антенн. С ростом дефектностей интенсивность лавинных шумов возрастает и, еледова-
Рис. Качественный вид спектров электромагнитных шумов: а) общий вид спектров; б) информативные частотные полосы
тельно, увеличиваются интенсивности в спектрах излучений и численность пиков в пределах каждой из информативных частотных полос. Самыми интенсивными и потому наиболее информативными в плане диагностирования будут пики в частотных полосах вблизи основных (первых) резонансных частот излучений антенн, поскольку излучающие способности штыревых вибраторных ан -тенн на гармониках ухудшаются. Однако в случае необходимости диагностирование можно выполнять с помощью спектральных составляющих, соответствующих высшим гармоникам излучений антенн. Антенны могут быть вибраторные или рамочные, вертикальной или горизонтальной поляризации в зависимости от формы и расположения в пространстве. Роль антенн выполняют внешние, изолированные от корпуса, части оборудования.
Способ контроля по спектрам электромагнитного излучения электротехнического оборудования может органично вписываться в существующую систему комплексных испытаний и эффективно использоваться для контрольных обследований с целью
своевременного выявления по результатам обследования фактов появления грубых дефектов;
своевременной постановки вопроса об увеличении глубины обследований, внеплановых обследований;
указания на вид и место расположения дефекта по мере накопления статистических данных и совершенствования методики контроля;
существенного повышения надежности диагностической информации в сочетании с другими методами;
осуществления паспортизации оборудования перед вводом его в эксплуатацию.
Опыт обследований показывает, что отдельно взятые диагностические параметры могут не выходить за границы предельно-допустимых значений, что не позволяет проводить отбраковку оборудования и рекомендовать проведение ремонта. Однако анализ совокупности диагностических факторов может дать объективную картину состояния оборудования и своевременно выявить развивающиеся дефекты.
Программа обследования электротехнического оборудования по спектрам собственного ЭМИ, как правило, включает в себя следующие этапы [3]:
1) регистрация спектров собственного ЭМИ в информативных частотных диапазонах;
2) сравнение в текущий момент значений интегральных мощностей излучения каждой единицы оборудования. Ранжирование оборудования по степени развития дефектов;
3) выявление тенденций в развитии дефектов путем сопоставления текущих данных со сведениями о предыдущих обследованиях;
4) принятие решения о необходимости учащенного контроля или комплексной диагностики.
Принятие решения о дополнительных испытаниях должно основываться на определенных критериях, которые отражают классификационные свойства спектров: амплитуду, энергию спектра, частотный диапазон, изменчивость спектра, полимодальность, количество пиков в конкретном частотном диапазоне, количество пиков, превышающих граничный уровень, форму пиков, спектральные линии в конкретных характерных точках и т.д.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Силин Н.В. Контроль состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам его электромагнитного излучения // Энергетика. 2008. № 3. С. 86- 91.
2. Силин Н.В., Антонов А.А., Клоков В.В. Диагностическая модель энергетических объектов транспорта на основе излучаемого электромагнитного поля // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2008. № 1. С. 296-299.
3. Силин Н.В., Коровкин Н.В. Электромагнитный контроль электроэнергетического оборудования // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. № 4. С. 186-192.
