Макет электромагнитного сканера для регистрации и цифровой обработки сигналов частичных разрядов

Гатауллин А.М.; Петров Г.И.; Бадретдинов М.Н.; Матухин В.Л.; Губаев Д.Ф.

1НФОРМАЦИОННА КА И ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИКЕ

УДК 621.317.75

МАКЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СКАНЕРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

А.М. ГАТАУЛЛИН**, Г.И. ПЕТРОВ**, М.Н. БАДРЕТДИНОВ**,

В.Л. МАТУХИН**, Д.Ф. ГУБАЕВ*

**ОАО «Сетевая компания»

**Казанский государственный энергетический университет

Описан макет электромагнитного сканера сигналов частичных разрядов (ЧР), позволяющий регистрировать и анализировать основные параметры ЧР. Создана компьютерная программа, позволяющая накапливать, обрабатывать и оптимальным образом представлять данные ЧР. Получены зависимости среднего сигнала ЧР от расстояния, уровня шума и напряжения на разрядной ячейке. Произведена экстраполяция зависимости среднего значения сигнала ЧР от расстояния и уровня шума с учётом действующего напряжения (150+500 кВ) и определено оптимальное расстояние для регистрации сигналов ЧР с помощью электромагнитного сканера на действующем оборудовании.

Введение

При длительном воздействии на изоляцию оборудования высокого напряжения эксплуатационных факторов (электрическое поле, изменения температуры, механические воздействия, увлажнение и др.) в ней могут возникать дефекты [1]. Обычно такими дефектами являются газовые (воздушные) включения в твердом или жидком диэлектрике, возникшие из-за нарушения структуры изоляции (расслоения, разрывы) или попадания в нее газов (газовыделение из изоляции, плохая вакуумировка и т. п.). Напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в окружающем его твердом или жидком диэлектрике, так как диэлектрическая постоянная их выше, чем диэлектрическая постоянная газа. Электрическая прочность газов во включении ниже, чем прочность остальной части изоляции. Это создает условия для возникновения в месте дефекта частичного разряда. Он возникает вследствие ионизации газа или жидкого диэлектрика и может происходить на поверхности раздела сред и внутри изоляции. ЧР опасны кумулятивным эффектом, выраженным в накоплении микроповреждений, возникающих при каждом разряде; в конечном итоге возможен электрический пробой всей изоляционной конструкции. Измерения ЧР позволяют выявлять дефекты изоляции на самых ранних стадиях их возникновения, отслеживать их развитие, оценивать текущее состояние изоляции и возможность дальнейшей эксплуатации оборудования.

Для обнаружения ЧР используют различные сопровождающие их физические эффекты - оптические и акустические сигналы, импульсные токи во

внешней цепи, импульсные электромагнитные поля. Сложность применения контактных методов измерений, предусмотренных ГОСТом [2] (тока и

напряжения), заключается в необходимости учета индивидуальных особенностей электрической схемы и конструкции объекта, параметров элемента связи объекта и измерительного устройства. В реальных эксплуатационных условиях задача измерений усложняется помехами, источники которых не могут быть устранены. Поэтому представляется целесообразным использование бесконтактного метода регистрации ЧР путем измерения создаваемого ими электромагнитного поля [3]. Данный метод имеет следующие достоинства: нет необходимости выводить из эксплуатации диагностируемое оборудование; отсутствует необходимость в специальном устройстве для подключения к объекту контроля; отсутствует проблема обеспечения условий электробезопасности; незначительная трудоемкость работ.

В силу сложной интерпретации картины ЧР практически все системы диагностики ЧР, будь то ультразвуковые измерители или детекторы электромагнитного поля, должны включать в себя цифровое преобразование данных и анализ этих данных на ЭВМ.

Целью данной работы является создание макета электромагнитного детектора ЧР для определения оптимальных параметров регистрации и представления результатов обработки сигналов ЧР. Проведена оценка возможности применения электромагнитного регистратора ЧР для диагностики высоковольтного оборудования в реальных условиях эксплуатации. С помощью макета предполагается получить данные, необходимые для разработки компактного аппаратно-программного комплекса диагностики состояния высоковольтных изоляторов на воздушных линиях электропередачи. Для достижения поставленной цели нами разработан и реализован алгоритм обработки сигналов ЧР, учитывающий аппаратные и внешние шумы.

Техническое описание установки

Блок-схема измерительной установки представлена на рис. 1. Собранная установка для регистрации сигналов ЧР состоит из разрядной ячейки (РЯ), которая представляет собой разрядный промежуток типа стержень-поверхность [6], напряжение на который подается с блока высокого напряжения (БВН).

РЯ

ИД

ПК

ШУ

*•!

пт

БВН

Рис. 1. Блок-схема измерительной установки © Проблемы энергетики, 2007, № 1-2

Сигналы ЧР регистрировались индуктивным датчиком (ИД), расположенным на нормированном расстоянии (от 0,1 до 0,5 м) от разрядной ячейки, в котором импульсы ЧР наводят ЭДС индукции. В результате с датчика снимается электрический сигнал, прямо пропорциональный величине так называемого видимого заряда ЧР. Сигналы с датчика поступают на широкополосный усилитель (ШУ). Для регистрации фазы действующего напряжения применяется понижающий трансформатор (ПТ), сигнал с которого, вместе с сигналами ЧР, поступает на вход звуковой платы компьютера для последующего анализа и обработки. Для оцифровки аналоговых сигналов датчика используется АЦП звуковой платы персонального компьютера с максимальной частотой дискретизации 44100 Гц.

Также была собрана установка с применением электромагнитного датчика (ЭМД). Блок-схема установки приведена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема установки с электромагнитным датчиком

Программная часть комплекса, предназначенная для анализа сигналов ЧР, поступающих на линейный вход аудиокарты персонального компьютера, была разработана в среде Бе1рЫ 7 с применением СУБД ШегЬазе 7, которая позволяет накапливать сигнал ЧР в заданном временном интервале, усреднять сигналы за заданное количество периодов, считать количество ЧР в определенном амплитудно-фазовом интервале, а также накапливать в базе данных результаты измерений и вычислений. Программа предусматривает графическое представление результатов обработки данных.

Методика проведения измерений

С помощью установки, изображенной на рис. 1, регистрировался сигнал с индуктивного датчика. Были получены сигналы ЧР на фоне напряжения промышленной частоты. Вид полученного сигнала представлен на рис. 3, где по оси ординат обозначена амплитуда в относительных единицах для удобства анализа полученных данных. При этом для получения значений амплитуды сигнала в вольтах применяется формула и=(А/128)-1, где и - величина в вольтах, А - в относительных единицах.

Далее сигналы ЧР регистрировались с использованием электромагнитного датчика (рис. 2). С помощью созданной программы сигнал накапливался в течение 10 секунд (рис. 4), затем усреднялся с учетом программно-заданного уровня шума за период времени длительностью 20 мс. Первоначально наблюдался

сигнал без включения источника частичных разрядов, его амплитуда принималась за уровень шума, учитываемый программой. Затем при подсчете количественных характеристик сигналов ЧР учитывались лишь те импульсы, амплитуда которых превышала этот программно-заданный уровень шума.

170

S

Н

о

«а

Р

7.

<

ISO

130

110

90

70

50

/■

^Чц§*1 /

1 I

1 1 Т 1

90

270

360

180 Фаза, град.

Рис. 3 Вид сигнала ЧР на фоне напряжения промышленной частоты

Рис. 4. Вид сигнала с электромагнитного датчика за 10 с (расстояние от разрядной ячейки 60 см)

Были получены зависимости среднего значения ЧР: от уровня шума (рис. 5), от расстояния до разрядной ячейки с учётом напряжения на разрядном промежутке (рис. 6).

о

аГ

Т

170

160

150

140

130

120

♦ ♦-

\\ м 1

4f-r —*—

г 4= > 1 j

Г

■ Расст. от РЯ=10 см

Расст. от РЯ=20 см

• Расст. от РЯ=30 см

• Расст. от РЯ=40 см Pacci. от РЯ=50 см

■ Расст. от РЯ=60 см

25

30

35

0 5 10 15 20

Ур. шума, мВ

Рис. 5. Зависимость среднего значения амплитуды сигнала ЧР от уровня шума 175

170

£ 165

£

о.

160

155

150

145

140

I

20

40

Расст. от РЯ, см

60

80

Рис. 6. Зависимость среднего значения амплитуды сигнала ЧР от расстояния.

Напряжение на РЯ 6,8 кВ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Обсуждение результатов

Результаты, полученные с помощью обоих датчиков идентичны, однако интенсивность сигналов с индуктивного датчика быстро уменьшается с увеличением расстояния от разрядной ячейки и при расстоянии более 30 см становится несущественной. Как видно из графика на рис. 6, максимальное расстояние регистрации ЧР с помощью электромагнитного сканера составляет 50 см при напряжении 6,8 кВ. Рост зависимости среднего значения сигнала ЧР при расстоянии более 50 см (рис. 6) объясняется уменьшением количества сигналов ЧР с амплитудой, близкой к уровню шума, которые эффективно уменьшают суммарную амплитуду. С увеличением напряжения на разрядном промежутке зависимость среднего значения сигнала ЧР от расстояния смещается в сторону увеличения сигналов ЧР. Из графика на рис. 5 видно, что существует пороговый уровень шума, который необходимо учитывать при анализе сигналов ЧР. При напряжении 6,8 кВ пороговый уровень шума составляет 4 отн. ед. Экстраполяция полученных зависимостей на действующие напряжения в высоковольтном оборудовании (150^500 кВ) показывает возможность использования изготовленного нами прибора на расстоянии от 3 до 20 м от диагностируемого оборудования.

Выводы

Разработан макет электромагнитного сканера сигналов ЧР. Разработана компьютерная программа для анализа сигналов ЧР, с помощью которой получены зависимости среднего сигнала ЧР от расстояния, уровня шума и напряжения на разрядной ячейке. Произведена экстраполяция зависимости среднего значения сигнала ЧР от расстояния и уровня шума с учётом действующего напряжения (150^500 кВ). Предполагается, что с помощью электромагнитного сканера на расстоянии 3+20 метров, в зависимости от уровня действующего напряжения, возможна устойчивая регистрация и анализ сигналов ЧР на действующем высоковольтном оборудовании.

Summary

The model of electromagnet scanner of partial discharge (PD) pulses is developed. Average magnitude of PD pulse signal depending on length, noise level and current cell voltage are executed using of developed computer program for PD pulses analyze. Also has been done the extrapolation of executed functions to the industrial voltages (150-500 kV). The ability of steady registration and analysis of PD pulse signals with electromagnet scanner in 3-10 meters from diagnosing object is predicted.

Литература

1. Сви П.М. Измерение частичных разрядов в изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем. - М.: Энергия, 1977. - 200 с.

2. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование установок. Методы измерения частичных разрядов.

3. Steiner Y.R. Commercial PD testing // IEEE Electrical Insulation Magazine, 1991 - V7. - № l. - 20-33pp.

4. M. Hikita et al. Measurements of Partial Discharges by Computer and Analysis of Partial Discharge Distribution by the Monte Carlo Method // IEEE Trans on Elec. InsuL, vol 25. - 1990. - 453-467 pp.

5. R.J. Van Brunt et al. Importance of Unraveling Memory Propagation Effects in Interpreting Data on Partial Discharge Statistics // IEEE Trans on Elec. Insul, vol.28, 1993. - 905-916 pp.

6. Kreuger F.H. Partial discharge detection in high-voltage equipment Thesis, Delft, The Netherlands, 1984. - 185p.

Поступила 13.10.2006

Model of electromagnetic scanner of partial discharge signals registration and digital processing

Текст научной работы на тему «Макет электромагнитного сканера для регистрации и цифровой обработки сигналов частичных разрядов»