CC BY
51
УДК 621.317.75
КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБРУДОВАНИЯ
А.М. ГАТАУЛЛИН* В.Л. МАТУХИН*, С. В. ШМИДТ*, Б.А. КРУПНОВ**
* Казанский Государственный Энергетический Университет ** ОАО «Казанские электрические сети»
Обнаружение дефектов изоляторов на начальной стадии развития важно с точки зрения предотвращения поломок высоковольтного оборудования. Одним из наиболее перспективных методов планово-профилактического характера диагностирования изоляторов высоковольтного оборудования является метод частичного разряда (ЧР).
В статье приводится описание комплексного метода регистрации параметров частичных разрядов бесконтактным методом с применением электромагнитных датчиков (ЭМД) и контактным методом с применением контактного датчика (КД), предусмотренным ГОСТом и требованиями международной энергетической комиссии (МЭК). С помощью ЭМД подробно исследована предпробойная ситуация разрядного промежутка. Показано, что после соответствующей калибровки возможно определение с помощью ЭМД величины кажущегося заряда — одной из наиболее важных характеристик сигналов ЧР. Данные, полученные с помощью ЭМД, хорошо согласуются с данными, полученными с помощью КД.
Ключевые слова: частичные разряды, методы диагностики изоляторов высоковольтного электрооборудования.
Введение
Рекомендации по идентификации, регистрации и обработке сигналов ЧР изложены в международных и российских нормативных актах [1, 2]. Понятие частичных разрядов (ЧР) включает в себя большое число разрядных явлений, в том числе коронные разряды с остриев, краев электродов или цилиндрических проводов в газах, например в воздухе, или в жидкой изоляции, поверхностные частичные разряды (ПЧР) на границе различных изоляционных материалов, например на границе газ-диэлектрик, разряды в газовых включениях в твердых и жидких материалах [3]. Возникновение ЧР связано с фазой действующего напряжения. При диагностировании изоляторов методом ЧР и выявлении типа дефекта важно учитывать частоту и амплитуду следования сигналов ЧР.
Теория использования метода частичных разрядов для диагностирования состояния изоляторов высоковольтного электрооборудования предполагает в том числе увеличение частоты следования и средней амплитуды сигналов ЧР, обусловленных дефектами изоляции. При этом сигналы ЧР, несмотря на их малую величину, приводят к постепенному развитию дефектов и полному разрушению изоляции. Для выявления типа дефекта оценивают в том числе величину так называемого кажущегося заряда, внесение которого в разрядный промежуток приводит к тем же физико-химическим изменениям в окружающей среде, что и сигнал ЧР. Сигналы ЧР от сигналов короны (приводящих в основном лишь к потерям электроэнергии) отделяют путем оценки распределения величины кажущегося заряда или количества сигналов ЧР по амплитудным и фазовым интервалам действующего напряжения. На практике обычно принято
© А.М. Гатауллин, В.Л. Матухин, С.В. Шмидт, Б.А Крупнов Проблемы энергетики, 2010, № 9-10
измерять кажущийся заряд контактным методом, однако очевидно, что применение бесконтактных методов более перспективно. В то же время контактный метод является более точным в плане локализации источника сигналов ЧР и определения величины кажущегося заряда. На практике параметры сигналов ЧР оценивают непосредственным измерением заряда утечки через дефект либо путем регистрации электромагнитного сигнала, либо путем регистрации волн так называемой акустической эмиссии - механических колебаний в окружающей среде, вызванных частичными разрядами. Большинство дефектов изоляции - это воздушные вкрапления различной формы [3], что обуславливает возникновение резко неоднородного электрического поля на границе раздела диэлектриков (воздуха и материала, из которого изготовлен изолятор), поэтому сигналы ЧР часто моделируют при помощи системы поверхность-игла в воздушном пространстве что существенно уменьшает величину пробойного напряжения разрядного промежутка.
Форма ПЧР и ЧР в толще твердого диэлектрика, уже разрушенного предшествующими ЧР, часто имеет древовидную структуру, состоящую из множества искровых разрядов. Серию последовательно возникающих ЧР иногда называют ЧР-процессом. Образцовыми сигналами ЧР считаются импульсы Тричела, возникающие под воздействием постоянного напряжения [4], совокупность которых характеризуется как стримерная корона. Различают отрицательную и положительную стримерные короны в зависимости от знака постоянного электрического поля, приложенного к электродам. В случае переменного напряжения сигналы ЧР зависят от фазы действующего напряжения и наблюдаются на фоне более интенсивных сигналов короны. Амплитуда сигналов короны заметно выше по сравнению с сигналами ЧР, а сам сигнал ЧР связан с искровым пробоем малой мощности разрядного промежутка. Сигналы короны, наиболее вероятно, связаны с окружающим изолятор воздушным пространством и приводят в большинстве случаев лишь к потерям электроэнергии, а сигналы ЧР связаны с движением зарядов в толще или по поверхности изоляторов, что приводит к постепенному разрушению диэлектрика. Поэтому сигналы короны необходимо отделять от сигналов ЧР путем построения АФД [5, 7].
Кроме традиционного контактного метода регистрации сигналов ЧР актуальным представляется акустический метод [6] и ряд методов, основанных на регистрации электромагнитных сигналов в самом широком диапазоне частот. В зависимости от размера воздушного вкрапления неоднородность электрического поля и частота следования ЧР может изменяться в широких пределах. Для моделирования разрядов в резко неоднородных несимметричных полях и калибровки ЭМД методом сопоставления параметров ЧР, с нашей точки зрения, целесообразно применить систему игла-плоскость с положительным потенциалом на игле, что заметно уменьшает величину действующего напряжения без потерь данных о сигналах ЧР. Путем подбора соотношения диаметра иглы и расстояния до плоскости можно задать степень неоднородности электрического поля и смоделировать ЧР-процесс в изоляторах высоковольтного оборудования. Бесконтактный электромагнитный метод, прежде всего, перспективен для диагностирования изоляторов воздушных линий электропередачи (ЛЭП) ввиду малого количества типов источников электромагнитной активности.
Методика измерения
Для определения кажущегося заряда была собрана измерительная установка (рис. 1), состоящая из источника высоковольтного напряжения АИД - 70, платы АЦП National Instruments, осциллографа Tektronix TDS 1012, персонального компьютера, программной части измерительной системы (программного интерфейса осциллографа Tektronix TDS 1012, программного анализатора сигнала, разработанного в LabView 7), контактного датчика (КД), электромагнитных датчиков (ЭМД 1, ЭМД 2).
Рис. 1. Блок-схема установки: БВН - блок высокого напряжения, РЯ - разрядная ячейка, ЭМД 1
- электромагнитный датчик, настроенный на частоту 97,8 МГц, ЭМД 2 - электромагнитный датчик, настроенный на частоту 434 МГц, КД - контактный датчик, ПК - персональный компьютер с платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) National Instruments (NI), ПИО
- программный интерфейс осциллографа Tektronix TDS 1012, ПАС - программный анализатор
сигнала, разработанный на базе LabView 7 [7], осциллограф Tektronix TDS 1012
КД представляет собой стандартное устройство присоединения (УП), которое должно иметь определенную полосу пропускания по мощности сигнала в соответствии с полосой пропускания сигналов ЧР [3]. Схема УП состоит из RC цепочки, присоединяемой к объекту. Мы выбрали вариант подключения УП: радиус иглы (30 мкм), диапазон изменения расстояния до плоскости (от 1 см до 5 см) - согласно работе [8]. Выбор был сделан в связи с необходимостью оцифровки быстротекущих процессов (время скачка амплитуды ЧР порядка нс). Аналогичный способ подключения УП: описан в [3], но в этой работе значение сопротивления отличается на три порядка (Ä=50 Ом) по сравнению с сопротивлением, предлагаемым в работе [7] (Ä=50 кОм). При этом значение емкости УП в обоих случаях 1 нФ. Для уменьшения ошибок, связанных с неоднозначностью выбора параметров УП, предлагаемых в различных литературных источниках, мы сопоставляли формы, амплитуды и частоты следования сигналов, полученных от различных датчиков: ЭМД 1, ЭМД 2, КД.
В основе методики цифровой обработки сигналов ЧР лежит представление о случайном распределении амплитуд и временных интервалов их следования. Так как длительность сигналов ЧР мала (порядка нс), то их необходимо накапливать на емкости УП. Частота следования сигналов ЧР (при этом подразумевается наиболее вероятная величина, определяемая как отношение времени регистрации сигналов ЧР к их количеству), согласно теореме Котельникова, должна быть в 2 раза меньше частоты оцифровки сигналов АЦП. При оцифровке сигналов мы фактически из одной случайной последовательности получаем другую случайную
последовательность. При определении кажущегося заряда также играет роль искажение формы сигнала ЧР, которое происходит по причине различий полосы пропускания сигналов ЧР (до нескольких ГГц) и полосы пропускания системы детектирования (100 МГц). Другой причиной искажения формы сигналов является наличие высокочастотных и низкочастотных шумов, особенно эта проблема актуальна при определении кажущегося заряда бесконтактным методом. Поэтому для определения кажущегося заряда мы сопоставляли параметры сигналов (форму линии, частоту следования и амплитуду) ЭМД 1 и ЭМД 2 с сигналом КД, который считали образцовым, так как КД был собран в соответствии с общепринятыми рекомендациями [3].
При этом для накопления заряда и визуализации сигнала применялась RC цепочка с постоянной времени 14 мкс.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Получен и проанализирован сигнал с телескопической антенны в зависимости от величины действующего напряжения, особое внимание было уделено предпробойной ситуации разрядного промежутка (рис. 2, 3, 4). Сигнал с телескопической антенны, ЭМД 1, ЭМД 2 сопоставлялся с сигналом КД.
А
0»
Jl I г \Ц\ -4 • 1 Л 1,
¡УЕ
Chi,АС cnupling, 5ЯЕ-2 V/div, 2.5Е-3 äfdiv, 2500 pouiLs. Samplemude
Рис. 2. Сигнал с антенны. Переменное напряжение 18 кВ. Сигналы ЧР на фоне модулированного сигнала действующего напряжения
У
Уг н — - t
т Ш т/ ГЩ щ
Chi, AC coupling, 5.0Е-2 V/div, 5.0Е-5 i/div, 2500 points, Sample made
Рис. 3. Сигнал с антенны. Переменное напряжение18 кВ. Сигналы ЧР на фоне модулированного сигнала действующего напряжения. Развернутый сигнал рис. 3 на отрицательной полуволне
действующего напряжения
На рис. 2 сигналы ЧР видны в основном на участках осциллограммы, когда значение действующего напряжения приближается к нулю, на пиках действующего напряжения в основном превалируют сигналы короны, амплитуда которых значительно превышает амплитуду сигналов ЧР. Рис. 3 представляет из себя развернутый участок осциллограммы, представленной на рис. 2, когда отрицательная полуволна переменного напряжения приближается к нулевому значению. На рис. 4 показана аналогичная ситуация для положительной полуволны переменного действующего напряжения. В обоих случаях величина действующего напряжения равна 18 кВ и ситуация близка к пробою разрядного промежутка. Из рис. 2, 3, 4 хорошо видно, что количество и амплитуда сигналов электромагнитной активности на отрицательной полуволне заметно больше по сравнению с аналогичными параметрами на положительной полуволне действующего напряжения. Амплитуда сигналов ЧР на отрицательной полуволне равна 0,05 В, а максимальная частота следования- 60 кГц. Амплитуда сигналов ЧР на положительной полуволне равна 0,02 В, а максимальная частота следования - 12 кГц.
V
"Чл /1 Г\г
/ r Г
1
Ch1. АС coup ing. 5.0 1-2 Wdi ', 5.0E-S s/div, 2500 poin ts. Sample mod е
Рис. 4. Сигнал с антенны. Переменное напряжение 18 кВ. Сигналы ЧР на фоне модулированного сигнала действующего напряжения. Развернутый сигнал рис. 3 на положительной полуволне действующего напряжения
Высокая интенсивность сигналов ЧР на отрицательной полуволне действующего напряжения приводит к прорастанию проводящего ионизированного воздушного канала и пробою разрядного промежутка при амплитуде переменного напряжения 19 кВ. Частота следования сигналов ЧР, связанных непосредственно с разрядным промежутком (это сигналы малой амплитуды 50 мВ), принимает максимальное значение 1600 в пересчете за один период действующего напряжения.
На рис. 5 показаны осциллограммы сигналов, полученных при переменном напряжении 8 кВ с телескопической антенны (СЬ1) и КД (СЬ2). Видно, что сигналы имеют одну и туже длительность. Форма сигналов ЧР напоминает затухающие гармонические колебания. Различие по амплитуде связано, скорее всего, с шумами и разной формой сигналов. Искажение формы сигнала также обусловлено тем, что полоса пропускания сигналов ЧР больше полосы пропускания регистрирующей системы [3]. На рис. 6 приводятся осциллограммы сигналов, полученных при переменном напряжении 8 кВ с ЭМД 2 (СЬ1) и КД (СЬ2).
Chi, АС cmiplmg, 5ЛЕ-1 V/div, 1.ПЕ-8 sfdiv, 2SED, Samplingmnde Ch2, AC cmipling, 2ЛЕ-П V/div, l.DE-8 sfdiv, 23E, Samplingmnde
Рис 5. Канал 1: телескопическая антенна. Канал 2: КД Переменное напряжение 8 кВ Тек
иЦ
СН1 Мни
cut
Mens
cut
»one
cm awn* сиг м ijcjw cm / tainnv
<10Hi
Рис 6. Канал 1 - ЭМД 2. Канал 2 - КД. Переменное напряжение 8 кВ
Результаты измерений с помощью ЭМД 2 корреллируют с данными КД не только по частоте, но и по амплитуде. Был определен коэффициент пересчета (равный 1,4), связанный с соотношением амплитуд сигналов ЧР, полученных КД и ЭМД 2. По сопротивлению УП (50 Ом), длительности (50 нс, рис. 5) и средней амплитуде сигнала ЧР (30 мкВ, рис. 3, 4) с учетом коэффициента пересчета 1,4 (рис. 6) была определена величина кажущегося заряда 70 пКл. Величина кажущегося заряда по величине емкости УП составила 40 пКл. Отличие, судя по всему, связано с погрешностями измерения и с тем, что сопротивление УП комплексное. Полученные данные хорошо согласуются (с учетом свойств диэлектрической среды) с результатами измерений, представленными в работе [9].
Выводы
Результаты, полученные с помощью ЭМД 2 и КД, хорошо согласуются между собой по амплитуде, частоте следования и форме сигналов ЧР, что позволяет использовать бесконтактный метод для предварительной диагностики состояния изоляторов по величине кажущегося заряда.
Бесконтактным методом с помощью ЭМД 2 определено максимальное количество следования сигналов ЧР в предпробойной ситуации воздушного разрядного промежутка системы поверхность-игла (1600 за период действующего
напряжения), определена величина кажущегося заряда по сопротивлению и емкости УП (70 пКл и 40 пКл соответственно), соответствующего устойчивому периодически появляющемуся сигналу методом сопоставления осциллограмм, полученных контактным и бесконтактным способом.
Summary
At the same time the results obtained by contact and contactless way, well coordinate among themselves on amplitude, frequency and the shape of PD signals.
By the contactless method it is determined the maximum quantity of the PD signals in prestrike (1600 during effective voltage period), apparent charge magnitude value on resistance and capacity (70 pC and 40 pC accordingly) by a comparison of the oscillograms obtained by the contact and contactless way.
Key words: partial discharges, diagnostic methods of the high-voltage electric equipment insulators.
Литература
1. Международный стандарт МЭК 60270. Методы высоковольтных испытаний - измерение частичных разрядов.
2. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование установок. Методы измерения частичных разрядов.
3. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Н.: Наука, 2007.156 с.
4. G.W. Trichel. Phys. Rev. 54, 1078 (1938).
5. Van Brunt R.J. and Kulkarni S.V. Stochastic properties of Trichel-pulse corona: a non-Marcovian random point process // Phys. Rev. A, vol.42, 1990. 49084932 pp.
6. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Захаров А.А. Цифровой метод регистрации фазовых распределений частичных разрядов проходных изоляторов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2002. №11-12. С.56-64.
7. Гатауллин А.М., Бадретдинов М.Н., Губаев Д.Ф., Матухин В.Л. Регистрация и анализ параметров частичных разрядов на высоковольтной линии электропередачи напряжением 35 кВ и выше // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №7-8. С. 66-76.
8. Yicheng Wang. New method for measuring statistical distributions of partial discharge pulses // J. Res. Natl. Inst. Stand Technol. vol 102, №5, 1997. 569-576 pp.
9. D. J. Swaffield, P. L. Lewin, Y Tian, G Chen, S. G. Swingler. Characterization of partial discharge behavior in liquid nitrogen // Conference record of the 2004 IEEE international Symposium on electrical insulation, Indianapolis, in USA, 19-22 September 2004.
Поступила в редакцию 25 мая 2010 г.
Гатауллин Айрат Мухамедович - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Физика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-81.
Матухин Вадим Леонидович - д-р физ.-мат.наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-81.
Шмидт С.В. - аспирант кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-81.
Крупное Борис Александрович - заместитель главного инженера ОАО «Казанские электрические сети».
© Проблемы энергетики, 2010, № 9-10
