CC BY
14
Рубрика 2. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ Направление - Электротехника
УДК [UDC] 621.314.212:620.111.3 DOI 10.17816/transsyst202064161-171
© В. Т. Черемисин, А. А. Кузнецов, М. А. Волчанина, А. В. Горлов
Омский государственный университет путей сообщения (Омск, Россия)
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ИМИТАТОРА ДЕФЕКТОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Обоснование: В статье приведено описание устройства имитации дефектов для совместного использования с системами акустического контроля высоковольтных трансформаторов.
Цель: экспериментальные исследования мобильного устройства имитации дефектов силовых трансформаторов; определить параметры импульсов, имитирующих различные дефекты изоляции
Методы: разработка технических средств имитации дефектов изоляции; экспериментальные исследования; определение параметров сигналов, имитирующих дефекты.
Результаты: приведена структурная схема устройства имитации дефектов; проведены экспериментальные исследования устройства имитации дефектов; рассчитана мощность импульсов, имитирующих различные дефекты изоляции высоковольтных трансформаторов.
Заключение: Предложенное устройство вырабатывает высоковольтные импульсы, имитирующие различные дефекты изоляции высоковольтных трансформаторов. Приведены параметры акустических сигналов.
Ключевые слова: высоковольтные трансформаторы, диагностирование изоляции, акустический метод, устройство имитации дефектов, параметры сигналов.
Rubric 2: SCIENTIFIC AND PRACTICAL DEVELOPMENTS Field - Electrical Engineering
© V. T. Cheremisin, A. A. Kuznetsov, M. A. Volchanina, A. V. Gorlov
Omsk State Transport University (OSTU) (Omsk, Russia)
MEASURING THE ACOUSTIC SIGNALS PARAMETERS OF THE DEFECT SIMULATOR OF POWER TRANSFORMERS
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90231 [Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 20-38-90231].
Background: The article describes a device for simulating defects for use with acoustic control systems for high-voltage transformers.
Aim: experimental research of a mobile device for imitation of power transformer defects; determine the parameters of impulses simulating various insulation defects
Methods: development of technical means for imitation of insulation defects; experimental research; determination of parameters of signals simulating defects.
Results: a block diagram of a device for imitating defects is shown; experimental studies of the device for imitating defects were carried out; the power of pulses simulating various defects in the insulation of high-voltage transformers was calculated.
Conclusion: The proposed device generates high-voltage pulses that simulate various defects in the insulation of high-voltage transformers. The parameters of acoustic signals are given.
Key words: high-voltage transformers, traction power supply, insulation parameters diagnostics of high voltage transformers, acoustic method, partial discharges, device for imitation defects, signal parameters.
ВВЕДЕНИЕ
При диагностировании силовых трансформаторов в системе электроснабжения железных дорог используется достаточно большое количество методов электрического и неразрушающего контроля. Применение акустических методов позволяет выполнить локацию мест возникновения и наличия дефектов изоляции при работе силовых трансформаторов [1-3]. Применение средств акустического контроля существенно повышает достоверность и быстродействие применяемого в настоящее время хроматографического метода контроля растворенных газов в трансформаторном масле.
Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы выявил наличие большого количества работ, посвященных методам и способам диагностирования высоковольтного оборудования [5-15].
Недостатками применяемых акустических метолов при контроле трансформаторов и другого высоковольтного оборудования является распознавание вида контролируемого дефекта и локация места его положения.
При помощи метода акустического контроля возможна регистрация частичных разрядов (ЧР), регистрация их количества в единицу времени, регистрация амплитуд, формы сигналов и других параметров. По каждому событию возможен визуальный анализ, подтверждающий наличие именно ЧР и их параметров. Кроме того по разности времени прихода сигналов к датчикам акустической антенны, установленных на корпусе трансформатора, возможно установление координат предполагаемого места возникновения ЧР.
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Для устранения указанных выше недостатков было предложено использование устройства имитации дефектов в маслонапоненном оборудовании [1]. При использовании устройства имитации дефектов в методике акустического контроля измерения параметров акустических сигналов выполняются в одинаковых условиях на имитаторе и контролируемом оборудовании. Снижаются дополнительные погрешности, вызываемые влиянием окружающей среды и возможные изменения коэффициентов усиления измерительного тракта в различные интервалы времени при проведении контроля.
Структурная схема устройства имитации дефектов представлена на Рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема устройства имитации дефектов
БП - блок питания;
ЭК - электронный коммутатор;
ГТИ - генератор тактовых импульсов;
ВТ - высоковольтный трансформатор;
СЦАД - система цифровая акустико-эмиссионная диагностическая; П - преобразователь акустический; ЭР - электрический разрядник; БМ - бак маслонаполненный.
Устройство вырабатывает высоковольтные импульсы, имитирующие различные дефекты изоляции высоковольтных трансформаторов. Электронный коммутатор (ЭК) подает на высоковольтный трансформатор (ВТ) постоянное напряжение с задержкой, формируемой конденсатором в его составе. На электрический разрядник (ЭР) поступают высоковольтные
импульсы с частотой, вырабатываемой генератором тактовых импульсов (ГТИ) в интервале от 0 до 10 кГц. Электрический разрядник может работать в различных средах - воздух или трансформаторное масло.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На Рис. 2 показана схема расположения электрического разрядника в масляном баке. Для дозирования мощности разряда выполнялось регулирование постоянного напряжения БП и расстояние между электродами ЭР - Дп при помощи регулирующего механизма на кронштейне 4.
Рис. 2. Схема расположения электрического разрядника в масляном баке 1 - изолятор; 2, 3 - электроды;
4 - кронштейн;
5 - корпус маслонаполненного бака;
6 - трансформаторное масло;
7 - преобразователь акустический.
Корпус имитатора дефектов выполнен из стали и к нему подключен один из электродов разрядника ЭР и нулевой потенциал БП. Колебания звуковой волны воспринимают четыре акустических преобразователя П, представляющих собой акустическую антенну.
Схема расположения преобразователей акустических и электрического разрядника на верхней крышке устройства приведена на Рис. 3.
На Рис. 3 приведены следующие параметры устройства: Ь0=8 см -расстояние от акустического преобразователя АП0 до электрического
разрядника; Ь1 =18 см - расстояние от акустического преобразователя П1 до электрического разрядника; Ь2=28 см - расстояние от акустического преобразователя АП2 до электрического разрядника; Ь3=23 см - расстояние от акустического преобразователя П3 до электрического разрядника.
( АГЬ V [ АГ(с ) Lo т®т
1л у/ \ Li
( АПд ) ( A[Ii )
Рис. 3. Схема расположения преобразователей акустических и электрического разрядника
Рис. 4. Сигналы от четырех акустических преобразователей
Акустические преобразователи АП0 - АП3 располагали на верхней крышке устройства имитации дефектов на различном расстоянии Ь0 - Ь3 от ЭР. При помощи системы акустической типа СЦАД-16 были зарегистрированы импульсы различной мощности при различной частоте следования, представленные на Рис. 4-6 .
На Рис. 4 показаны сигналы от четырех АП. Сигнал представлен двумя областями: высокочастотный импульс 1 при возникновении электрического разряда и низкочастотные колебания корпуса отраженных волн - 2. Из рисунка так же хорошо видна разность времен прихода (РВП) Т0 - Т3 для преобразователей с разными координатами Ь0 - Ь3. При этом изменяются мощность электрического разряда, имитирующего дефект. Электрические разряды пропадают при выходном напряжении БП и = 3 В и усиливаются до максимального значения при Ип = 15 В.
На Рис. 5-6 показаны сигналы, различной мощности, сформированные при изменении выходного напряжения на БП.
■ 'Усрш (11ПШ11---С-
LL« M^LÜ
Рис. 5. Сигнал от акустического преобразователя (и = 6 В; f = 50Гц; ку = 20; отсч. АЦП = 2024; Тк = 1012 мкс)
Рис. 6. Сигнал от акустического преобразователя (и = 12 В; f = 50Гц; ку = 20; отсч. АЦП = 2024; Тк = 1012 мкс)
Мощность импульса, ограниченного временным окном Т = 60 мкс определялась по формуле:
Число отсчетов АЦП для указанного окна составляло 120 ед.
(1)
Для двух сигналов приведенных на Рис. 5, 6 были получены значения Р6 = 26,9 ед.; Р12 = 62,8 ед. соответственно. Таким образом, можно сделать вывод, что эти параметры можно использовать для оценки мощности разрядов диагностируемого оборудования.
6560- канал12 Время операции, мкс
—1 ■ -90 -80
-70
М -60 -50
II -40
1 и -20
" 1 Г н -10 Опорный сигнал J Функция обработга цвет обработки
| 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 81 0 85 0 900 950 1022
388300- канап12
цвет сигнала
-80 цвет фона
10 -10 -20 -30 - -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
| запись в текст |
| в TRA-формат |
МАХ| из' УМУ
64.65 ХМАХ 19.40 FMED 194
50 1С 0 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1023
выбор обработки параметры обработки параметры оконной о работк эрдинат та параметры корреляции
|спекгр сигнала ▼ вид преобразования Размер Размер! ни ко 1 | сигнал канал
сигнал канап| г |Spectrum- |FnCX)f2/nn2 ▼ | ипорный сигнал 1 1 0 fl2
входной сигнал X опорный сигналу вид |Нааг Сдвиг г порог вид обработки . кпастер| 1 ......... 1
текущий сигнал Параметры сигнала опорны Пар й сигнал аметры сигнале обработ Вид порога |Огибающа! |гтолная форма сигнала найдено сигналов
Рис. 7. Временной сигнал акустического импульса и его спектр (и = 12 В; f = 100Гц; ку = 20; отсч. АЦП = 2024; Тк = 1023 мкс)
Совместное использование имитатора дефектов со средствами контроля позволит с большей достоверностью распознавать тип дефекта и его мощность.
Таблица. Измеренные параметры акустических сигналов
Напряжение U, В Частота следования эл. имп. F, Гц Размах амплитуд, ед. Средняя частота акуст. импульсов f«w кГц Мощность импульса P, ед.
3 50 86 217 12,1
6 149 223 26,9
9 283 209 43,3
12 414 201 62,8
3 100 94 325 16,7
6 168 313 30,1
9 502 218 82,4
12 747 207 103,2
РЕЗУЛЬТАТЫ
Приведена информация по разработке и экспериментальным исследованиям устройства имитации дефектов изоляции высоковольтных трансформаторов. Показаны осциллограммы с формой импульсов для различной мощности электрических разрядов. Приведены количественные значения сигналов, измеренные акустическим методом, имитирующие дефекты с различной мощностью.
ВЫВОДЫ
Применение представленного устройства позволит сопоставлять сигналы, измеренные на высоковольтном оборудовании с сигналами имитатора, что позволит повысить достоверность контроля и принятия правильных решений об их техническом состоянии.
Авторы заявляют, что:
1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.
Библиографический список / References
1. Кузнецов А. А., Кузьменко А.Ю., Кузнецова М.А., Симаков А.В. Определение пороговых значений при диагностировании изоляции высоковольтного оборудования методами регистрации частичных разрядов. // Омский научный вестник. - 2019. - №2(164). - С. 30-35. [Kuznetsov AA, Kuzmenko AYu., Kuznetsova MA, Simakov AV. Opredelenie porogovih znachenii pri diagnostirovanii izoliacii visokovoltnogo oborudovaniya metodami registracii chastichnih razriadov. Omskii nauchiy vestnik, 2019;2(164):30-35. (In Russ.)]. Доступно по: http://vestnik.omgtu.ru/images/stories/arhiv/2019/pmt/2_164_2019/30-35.pdf. Ссылка активна на: 07.12.2020.
2. Taha IBM, Dessouky SS, Ghaly RNR, Ghoneim SSM. Enhanced partial discharge location determination for transformer insulating oils considering allocations and uncertainties of acoustic measurements. Alexandria Engineering Journal; 2020, 12 p. [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016820304282.
3. МУ 1.3.3.99.0038-2009 Диагностика силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и их вводов. Методические указания ОАО «Концерна Росэнергоатом» № 126, 2009. - 73 с. [Diagnostika silovykh transformatorov, avtotransformatorov, shuntiruiushchikh reaktorov i ikh vvodov. Metodicheskie ukazaniia OAO "Kontserna Rosenergoatom". 2009:126:73 (In Russ.)]. https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293724/4293724794.pdf
4. Markalous SM, Tenbohlen S, Feser K. Detection and location of partial discharges in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation. 2008;15:1576-1583 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/4712660.
5. Шахнин В.А., Чебрякова Ю.С., Мироненко Я.В. Статистические характеристики частичных разрядов как диагностические признаки состояния изоляции высоковольтного оборудования // Контроль. Диагностика. - 2015. - № 2. - С. 5965. [Shakhnin VA, Chebryakova YuS, Mironenko YaV. Statisticheskie harakteristiki chastichnih razriadov kak diagnosticheskie priznaki sostoyaniay izoliacii visokovoltnogo oborudovaniya: Kontrol. Diagnostika, 2015; 2: 59-65. (In Russ)]. Доступно по: http://www.td-j.ru/index.php/archive/529-059-065/. Ссылка активна на: 07.12.2020.
6. Strachan SM, Rudd S, McArthur SDJ, et al. Knowledge-based diagnosis of partial discharges in power transformers. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2008;15:259-268 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://www.researchgate.net/publication/3341015_Knowledge-based_diagnosis_of_partial_discharges_in_power_transformers.
7. Вдовико В.П. Характеристики частичных разрядов и их применение в оценке качества электрической изоляции высоковольтного оборудования // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность.
- 2005. - № 5. - С. 23-26. [Vdoviko VP. Kharakteristiki chastichnykh razryadov i ikh primenenie v otsenke kachestva elektricheskoi izolyatsii vysokovoltnogo oborudovaniya. Elektro. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskaya promyshlennost, 2005;5:23-26. (In Russ.)]. Доступно по: https://readera.org/read/142173958. Ссылка активна на: 07.12.2020.
8. Ермаков Е.Г. Методика измерения частичных разрядов в изоляции силовых трансформаторов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2009. - № 2(78). - С. 47-52. [Ermakov EG. Metodika izmereniya chastichnykh razryadov v izolyatsii silovykh transformatorov. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta, 2009;2(78):47-52. (In Russ.)]. Доступно по: https://engtech.spbstu.ru/userfiles/files/volume/N2_78_2009.PDF Ссылка активна на: 07.12.2020.
9. Максудов Д.В., Федосов Е.М. Методы селекции сигналов частичных разрядов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета.
- 2009. - № 2 (12). - С. 138-143. [Maksudov DV, Fedosov EM. Metody selektsii signalov chastichnykh razryadov. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2009;2(12):138-143. (In Russ.)]. Доступно по: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/1241/1078. Ссылка активна на: 07.12.2020.
10. Lopez-Roldan J, Tang T, Gaskin M. Optimisation of a sensor for onsite detection of partial discharges in power transformers by the UHF method. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation; 2008;15:1634-1639 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/4712667.
11. Карандаев А.С., Евдокимов С.А., Девятов Д.Х., и др. Диагностирование силовых трансформаторов методом акустической локации частичных разрядов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.
- 2012. - №1(37). - С. 105-108. [Karandaev AS, Evdokimov SA, Devyatov DH., et al. Diagnostirovanie silovykh transformatorov metodom akusticheskoi lokatsii chastichnykh razriadov. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova, 2012; 1(37): 105-108. (In Russ.)]. Доступно по: http://vestnik.magtu.ru/images/data_base/2012_1/%D0%92%D0%B5%D 1%81 %D1%8
2%D0%BD%D0%B8%D0%BA_2012_1_%D1%81_105-108.pdf Ссылка активна на: 07.12.2020.
12. Фазуллин С.Р. Диагностика силовых трансформаторов методом измерения частичных разрядов // Теория и практика высоких технологий в промышленности. Сборник статей международной научно-практической конференции. - 2017. - С. 96-98. [Fazullin SR. Diagnostika silovykh transformatorov metodom izmereniia chastichnykh razriadov. Teoriia i praktika vysokikh tekhnologii v promyshlennosti. Sbornik statei mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 2017:96-98. (In Russ.)]. Доступно по: Ссылка активна на: https://docplayer.ru/78608179-Teoriya-i-praktika-vysokih-tehnologiy-v-promyshlennosti.html 07.12.2020.
13. Bartnikas R. Partial discharges their mechanism, detection and measurement. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2002;9:763-808 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/1038663
14. Поляков Д.А., Шамганов Э.Б., Никитин К.И., Терещенко Н.А. Анализ эффективности регистрации частичных разрядов с использованием индуктивных и емкостных датчиков // Промышленная энергетика. - 2019. - № 12. - С. 30 - 35. [Polyakov DA, Shamganov EB, Nikitin KI, Tereshchenko NA. Analiz effektivnosti registratsii chastichnykh razriadov s ispolzovaniem induktivnykh i emkostnykh datchikov. Promyshlennaia energetika, 2019;12:30-35. (In Russ.)]. Доступно по: http://www.promen.energy-journals.ru/index.php/PROMEN/article/view/1321. Ссылка активна на: 07.12.2020.
15. Давиденко И.В., Овчинников К.В. Идентификация дефектов трансформаторов по анализу газов, растворенных в масле // Электротехника. - 2019. - № 4. - С. 48-54. [Davidenko IV, Ovchinnikov KV. Identifikatsiia defektov transformatorov po analizu gazov, rastvorennykh v masle. Elektrotekhnika, 2019;4:48-54. (In Russ.)]. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37246280. Ссылка активна на: 07.12.2020.
Сведения об авторах:
Черемисин Василий Титович, д.т.н., профессор; eLibrary SPIN: 7843-0765; ORCID: 0000-0002-4576-2223; E-mail: eps@omgups.ru
Кузнецов Андрей Альбертович, д.т.н., профессор; eLibrary SPIN: 5259-0531; ORCID: 0000-0002-1815-4679; E-mail: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
Волчанина Мария Андреевна, аспирант;
eLibrary SPIN: 2130-4637; ORCID: 0000-0002-1815-4679; E-mail: kuznetcova994@gmail.com
Горлов Антон Вячеславович, аспирант;
ORCID: 0000-0002-8413-6612; E-mail: anton.gorlov@mail.ru
Information about the authors:
Vasiliy T. Cheremisin, Doctor of Technical Science, professor; eLibrary SPIN: 7843-0765; ORCID: 0000-0002-4576-2223; E-mail: eps@omgups.ru
Andrey A. Kuznetsov, Doctor of Technical Science, professor; eLibrary SPIN: 5259-0531; ORCID: 0000-0002-1815-4679; E-mail: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
Maria A. Volchanina, PhD student;
eLibrary SPIN: 2130-4637; ORCID: 0000-0002-1815-4679;
E-mail: kuznetcova994@gmail.com
Anton V. Gorlov, PhD student; ORCID: 0000-0002-8413-6612 E-mail: anton.gorlov@mail.ru
Цитировать:
Черемисин В.Т., Кузнецов А.А., Волчанина М.А., Горлов А.В. Измерение параметров акустических сигналов имитатора дефектов силовых трансформаторов // Транспортные системы и технологии. - 2020. - Т. 6. - № 4. - С. 161-171. doi: 10.17816/transsyst202064161-171
To cite this article:
Cheremisin VT, Kuznetsov AA, Volchanina MA, Gorlov AV. Measuring the acoustic signals parameters of the defect simulator of power transformers. Transportation Systems and Technology. 2020;6(4):161-171. doi: 10.17816/transsyst202064161-171
