Метод анализа параметров частичных разрядов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЕТОД АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

А.М. ГАТАУЛЛИН, М.Н. БАДРЕТДИНОВ, С.В. ШМИДТ, В.Л. МАТУХИН Казанский государственный энергетический университет

Предложен метод обработки сигналов частичных разрядов (ЧР), регистрируемых бесконтактным электромагнитным методом с учетом локальных минимумов и максимумов, обусловленных изменением плотности заряда в разрядном промежутке. Получено распределение количества сигналов ЧР, зарегистрированных цифровым электромагнитным датчиком (ЦЭМД) в зависимости от амплитуды импульсов.

Введение

Изоляция высоковольтного оборудования под воздействием ряда эксплуатационных факторов, например электромагнитных полей, температурных градиентов, механических воздействий, увлажнения и т. д. разрушается и в ней возникают дефекты. В качестве примеров таких дефектов можно привести газовые (воздушные) включения в твердом или жидком диэлектрике, возникающие из-за нарушения структуры изоляции (расслоения, разрывы). Напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в окружающем его твердом или жидком диэлектрике, а электрическая прочность газов во включении ниже, чем прочность остальной части изоляции, что создает условия для возникновения в месте дефекта ЧР. Для обнаружения ЧР используют различные сопровождающие их физические эффекты - оптические и акустические сигналы, импульсные токи во внешней цепи, импульсные электромагнитные поля [1]. Сложность применения контактных методов измерений, предусмотренных международным [2] и российским [3] стандартами, заключается в необходимости подключения к источнику высоковольтного напряжения. Международный стандарт предполагает определение устойчивого максимального значения сигнала и учет количества сигналов ЧР за вычетом шума, но не уточняет, как интерпретировать форму линии регистрируемого сигнала ввиду перекрытия отдельных сигналов ЧР. Поэтому представляется целесообразным использование бесконтактного метода регистрации ЧР [4] путем измерения создаваемого ими электромагнитного поля с учетом перекрытия сигналов ЧР.

Физическая модель ЧР процесса

Рассмотрим условия возникновения ЧР в воздушном вкраплении фарфорового изолятора. ЧР обусловлен движением электрона в воздушной полости. При этом напряженность электрического поля в месте нахождения электрона по абсолютной величине должна превышать некоторое критическое значение ^кр , достаточное для того, чтобы электрон покинул место локализации

на поверхности изолятора и начал свое движение в воздушной полости:

^кр = E0f )± Ез if). (1)

© А.М. Гатауллин, М.Н. Бадретдинов, С.В. Шмидт, В.Л. Матухин Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

Мгновенная амплитуда суммарного поля Ес (*) определяется мгновенным значением напряженности электрического поля действующего напряжения Ео () и мгновенным значением напряженности электрического поля, обусловленного окружающими электрон зарядами Ез (*), знак которого может быть или положительным или отрицательным [5]. Знак Ез (*) меняется случайным образом, что объясняется хаотическим движением зарядов. Электрон, двигаясь равноускоренно, возбуждает молекулы воздуха, при этом образуются вторичные электроны и ионы и формируется ЧР. В промежутках между двумя последовательными ЧР происходит растекание и рекомбинация зарядов [6]. С точки зрения образования суммарного заряда можно рассмотреть два конкурирующих процесса: ионизацию, с одной стороны, растекание и

рекомбинацию - с другой. ЧР сопровождается излучением в широком диапазоне электромагнитного спектра [7], а также акустическими колебаниями.

ЧР принято оценивать величиной так называемого кажущегося заряда #, внесение которого в диэлектрик приведет к тем же эффектам, что и ЧР. ЧР-процесс обычно рассматривают как стохастический процесс, происходящий под действием напряженности электрического поля действующего напряжения. Величины кажущегося заряда # ()и напряженности электрического поля Ечр

меняются во времени случайным образом, поэтому обычно вводят вероятностные функции распределения Ез () и # (*) и рассматривают изменение этих параметров в зависимости от времени * [7]. Международным стандартом [2] рекомендуется вычитать шум от уровня регистрируемого сигнала. Известно, что длительность, частота следования, амплитуда импульсов ЧР и характер спада сигнала ЧР в зависимости от времени существенно отличаются для различных типов высоковольтного оборудования, поэтому может возникнуть сложность с интерпретацией получаемых данных. Кроме того, существуют ограничения, связанные с оцифровкой аналогового сигнала, в результате чего может теряться часть сигналов ЧР, длительность которых меньше частоты выборки сигнала аналого-цифровым преобразователем. В первом приближении ЧР-процесс в высоковольтной изоляции можно смоделировать с помощью системы поверхность-игла, в которой генерируются импульсы Тричела [8]. Особенно, с нашей точки зрения, система поверхность-игла подходит для моделирования ЧР-процесса, происходящего в высоковольтных подвесных изолятрах воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением свыше 10 кВ.

Рассмотрим параметры ЧР-процесса, сязанные с регистрацией сигналов ЧР электромагнитным датчиком. Пусть Е (г, *), р(Е (г, *) *) - амплитуда и

вероятность регистрируемого значения напряженности электрического поля, связанного с ЧР, на расстоянии г от места возникновения ЧР в момент времени *. Фактически Е(г, *) определяется законом обратных квадратов и зависит от мгновенного значения силы тока в воздушном промежутке между катодом (игла) и анодом (поверхность). Амплитуда Е(г, *) обратно пропорциональна расстоянию г от источника ЧР, зависит от параметров токопроводящего промежутка. Рассмотрим токопроводящий промежуток в виде цилиндра длиной й (расстояние

между катодом и анодом) и площадью пг , где г - радиус катода. В первом приближении силу тока I можно определить следующим образом:

I = nr 2eNW ,

(1)

где e - абсолютное значение заряда электрона; N - средняя объемная концентрация; W - средняя скорость движения зарядов в токопроводящем канале разрядной ячейки. В работе [9] теоретически получено значение силы тока в разрядной ячейке с учетом неоднородного распределения электронов, положительных и отрицательных ионов, а также процессов рекомбинации и диффузии зарядов.

В [9] представлена теоретическая форма линии сигнала ЧР, которую можно разделить на два участка, соответствующих резкому росту в течение 20 нс и плавному экспоненциальному спаду амплитуды сигнала (рис. 1). Ранее, в том числе нами, с помощью осциллографа Tektronix TDS 1012 в широкополосной контактной системе регистрации сигналов наблюдались импульсы ЧР с достаточно длительным (до нескольких микросекунд) временем спада амплитуды, форма которых соответствовала затухающему периодическому сигналу [6].

электромагнитном способе регистрации сигналов ЧР можно определить функцией

основании теоретической формы линии (рис. 1), в первом приближении, будем считать, что растекание и рекомбинация заряда происходит с постоянной скоростью, тогда

С

О 60 100 150 200

TIME (па)

Рис. 1. Теоретически рассчитанная форма сигнала ЧР

Зависимость

от растекания и рекомбинации зарядов при

f связи значений E(r, t) и Eo (r, t) :

(3)

т

Распределение сигналов ЧР носит случайный характер. Величина т, скорее всего, должна существенно зависеть от сопротивления проводящего канала, которое может заметно отличаться для поверхностного частичного разряда (ПЧР) и сигнала, возникающего в толще изоляции (ЧР). Величина т в значительной степени определяется загрязнением поверхности изолятора и величиной относительной влажности. Первоначально в разрядной ячейке (РЯ) образуется так называемый лидер - разряд, инициирующий ЧР-процесс. Вслед за лидером образуются стримеры, формирующие древовидную структуру разряда [9]. При увеличении интенсивности ЧР-процесса происходит перекрытие отдельных линий сигналов от стримеров и возникновение локальных максимумов и минимумов. Для безошибочного распознавания отдельных сигналов ЧР, зарегистрированных ЦЭМД, мы предлагаем распознавать сигналы ЧР по минимаксному критерию, который заключается в распознавании программным методом локальных максимумов и минимумов формы линии сигнала электромагнитной активности. Ранее подобный способ распознавания сигналов ЧР применялся в контактных системах [10].

Техническое описание установки

Для проведения лабораторных исследований нами была собрана установка (рис. 2), состоящая из блока высоковольтного напряжения (БВН), разрядной ячейки типа поверхность-игла, с помощью которой генерировались образцовые сигналы ЧР - импульсы Тричела. Отличительной особенностью сигналов Тричела является высокая частота следования, вследствие чего ожидается частое пересечение отдельных линий сигналов ЧР-процесса. Напряженность поля в РЯ, при которой возникают ЧР, Eа составляла 5-6 кВ/см. Для регистрации сигналов ЧР был собран лабораторный стенд, включающий: цифровой электромагнитный датчик (ЦЭМД), персональный компьютер (ПК), плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП) NI PCI-6251, M-серии, производства National Instruments, посредством COM-порта интегрируемую в ПК, программный виртуальный прибор (ПВП), разработанный нами на базе программного обеспечения LabView 7 Express. Частота оцифровки сигнала 16-битным АЦП составляет 1 Мгц, то есть позволяет различать сигналы ЧР длительностью до 1 мкс.

Рис. 2. Схема установки для сбора данных ЧР

Чувствительность ЦЭМД позволяет регистрировать сигналы, различающиеся по амплитуде на величину 1 мВ. Частотная полоса пропускания ЦЭМД находится в диапазоне 10 -н-140 кГц. Измерения проводились на частоте

97,8 МГц с шириной полосы ±5МГц при минимальном значении уровня шума, который контролировался по осциллограмме. Блок-схема программного виртуального прибора (рис. 3) включает такие элементы, как DAQ assistant -предназначен для установки параметров оцифровки сигнала, в том числе для задания длительности цикла оцифровки (1 с), частоты оцифровки (1 МГц); Formula Node - содержит входные и выходные параметры, предназначен для обработки данных с применением программных модулей, написанных на языке программирования Си. Панель управления ПВП содержит элементы для представления данных, в том числе графического отображения статистических распределений, средних и максимальных значений количества и амплитуды сигналов ЧР, полученных с помощью ЦЭМД, в зависимости от уровня шума.

Сигналі : т : DAQ Asmtart

т

data *

П5

Л

NumAr|

1пМах|

InMinl

Шум

сигнала. HP'S

int32 NochCHRMinMoxNachCHRMax.NachCHRMin. float64 NamArfl000000]. FaseDiagrMinMax(1000000] ,P1otnVerMinMax[2000];

<loat64 FaseDiagrMin[1000000] .PIotnVerMin[2000]. AVMinMax(2000J.

AVMax[2000].AVMin[2000];

float64 FaseDiagrMax(1000000] ,HotnVerMax(2000];

float64 NamberOfMinMax{2000] ,NamberOfMax{2000].

NamberOfMin[2000]j

float64 AVGMirtMax. AVGMax, AVGMin;

float64 MaxMinMax. MaxMax. MaxMin;

int32 X Y; AVGMinMax-О; AVGMox-0: AVGMin-0;

float64 AvgLevelMinMax. AvgLevelMin. AvgLevelMax

ChrNamberMinMax ChrNamberMin, ChrNamberMax:

//массив мин/макс положительных значений for(i-1;i<L1*1;i++)

{

if(i>1) if(i<L1-1) if(NumAr[i]>0) if(NumAr[i]>NumAr(H]) if(NumAr(i]>NumAr[i*1 ]) if(NumAr[i]>NoiseLevel)

NoiseLevellpasepiagrt^in^n^jj.Munn^ij

ChrNamberMinMax-ChrNamberMinMax*1; AVGMinMax*AVGMmMax*FaseDiagrMinMax(i]. FaseDiagrMax[i]-NumAr[i];

ChrNamberMax=ChrNamberMax*1; AVGMax-AVGMax* FaseDiagrMaxfi];

}

if(i>1) if(i<U-1) if(NumAr[i]>0) if(NumAr[i]<NumAf{i-1]) if(NumAr[i]<NumAr[i*1]) if(NumAi'[i]>NoiseLevel)

{

FaseDiagrMinMax(i]*NumAr[i]; ChrNamberMinMax*ChrNamberMinMax+1; AVGMinMax-AVGMinMax*FaseDiagrMinMax(i]. FaseDiagrMin[i]-NumAr[i];

ChrNamberMin-ChrNamberMin*1;AVGMin-AVGMin+ FaseDiegrMin[i];

IChrNamberMinMax

tAvqLevelMinMax

^vqLevelMaxI

IChrNamberMax

IChrNamberMin

^vtjLevelMm]

iFaseDiaqrMinMaxl

blamberOIMinMa)d

iFaseDiaqrMaxi

^lambefOtMaxI

jFasePiaqrMm

iNamberOfMin

)P1otnVerMinMax

|RotnVerMax

E^lotnVerMm

^axMinMax

KiaxM

^ИахМіп

ІАУМтМах

ІЛУМах

JWMii

Рис. 3. Блок-схема виртуального прибора

Компьютерная программа, реализованная в ПВП, предусматривает три алгоритма выделения полезного сигнала из шума: с учетом локальных максимумов и минимумов, а также локальных максимумов и локальных минимумов по отдельности. Во всех вариантах интерпретации сигналов ЧР предусматривается вычитание уровня шума из исходного массива данных, получаемого с платы АЦП, при этом каждый раз учитываются только положительные значения сигнала. При заданных условиях оцифровки входного сигнала АЦП в DAQ assistant массив исходных данных содержит 106 значений, которые затем передаются в элемент ПВП Formula Node. В элементе ПВП Formula Node данные исходного массива сортируются, согласно минимаксному критерию, и переписываются в три вспомогательных массива данных. Затем для каждого вспомогательного массива вычисляются средние максимальные установившиеся значения электромагнитного сигнала. После усреднения данных за один период колебаний действующего напряжения строятся количественные распределения импульсов по интервалам следования и амплитудным интервалам. Для минимизации потерь данных полезного сигнала (в первую очередь это касается массива, составленного из локальных минимумов) по осциллограмме сигнала корректируется уровень шума с учетом количественных характеристик ЧР-процесса.

Обсуждение результатов

С помощью разработанного виртуального прибора и ЦЭМД мы получили осциллограмму сигналов ЧР на фоне шума (рис. 4).

0,06

0,05 и 0,04 I 0,03 i 0,02 | 0,01 о

-0,01 -0,02

Рис. 4. Сигнал ЧР, получаемый с помощью ЦЭМД

Из экспериментальной формы сигнала (рис. 5), полученной с помощью ЦЭМД, следует, что первоначально происходит резкий рост амплитуды от 0 до 33 мВ, а затем наблюдается спад, модулированный случайным процессом. Такое нарастание импульса в течение 20 мкс обусловлено образованием лидера (мощного инициирующего разряда). Можно сказать, что интенсивность следования сигналов ЧР настолько велика, что отдельные сигналы ЧР пересекаются, образуя локальные максимумы и минимумы. Поэтому мы решили интерпретировать сигналы ЧР по минимаксному критерию, т. е. распознавать их по локальным максимумам и минимумам, а также отдельно по локальным максимумам и локальным минимумам. По минимаксному критерию мы определяем отдельные стримеры, из которых состоит корона Тричела

(образцовый ЧР). На спаде видны локальные минимумы и максимумы, которые обусловлены изменением распределения плотности заряда в разрядной ячейке, в результате чего образуются стримеры. Время спада импульса составляет 80 мкс.

0,4652 Time, С

Рис. 5. Экспериментальная форма сигнала, полученная с помощью ЦЭМД

Для каждого критерия распознавания сигналов ЧР мы получили количественные распределения по амплитудным и временным интервалам их следования. Во всех случаях наблюдался экспоненциальный спад во времени количества сигналов ЧР (рис. 6), что хорошо согласуется с контактным методом.

С помощью виртуального прибора мы также контролировали количественные характеристики ЧР-процесса, такие как количество, среднее значение амплитуды, фазовые распределения сигналов ЧР, определенных по минимаксному критерию. Также определялось отношение количества локальных минимумов к количеству локальных максимумов.

Time, С

Рис. 6. Распределение количества импульсов ЧР по амплитудным интервалам ЧР (распознавать по минимаксному критерию)

Учет соотношения локальных минимумов и максимумов, с нашей точки зрения, важен при подборе оптимального уровня шума, который, согласно требованиям международного стандарта, необходимо вычитать. Поясним, с чем это связано. Во-первых, если уровень шума будет меньше оптимального, то мы можем ошибочно обработать сигнал белого шума, приняв его за сигнал ЧР-процесса. Во-вторых, если сигнал шума будет выбран больше оптимального, то мы можем потерять сигналы ЧР-процесса, обусловленные локальными минимумами.

Если придерживаться рекомендаций международной энергетической комиссии [2] регистрировать устойчивый максимальный уровень сигнала, обусловленный ЧР, то отдельные сигналы ЧР лучше распознавать по локальным максимумам.

Выводы

Предложен усовершенствованный метод обработки сигналов ЧР, регистрируемых бесконтактным электромагнитным методом, учитывающий локальные минимумы и максимумы, что важно для избежания ошибок распознавания сигналов ЧР, связанных с особенностями работы аналогоцифрового преобразователя. Получено распределение количества сигналов ЧР, зарегистрированных цифровым электромагнитным датчиком (ЦЭМД) в зависимости от амплитуды импульсов.

Summary

The improved method for partial discharge signals processing registered with noncontact electromagnet sensor is described. Partial discharge signals were detected using digital electromagnet sensor. This partial discharge signals parameters control method allows considering amplitude and pulse sequence distributions ofpartial discharge signals.

Литература

1. Измерительный стенд для контроля высоковольтных изоляторов / А.В. Голенищев-Кутузов, В.А Голенищев-Кутузов, Р.Н. Хизбуллин, Т.В. Лопухова // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2000. - №1-2. - С.78-83.

2. Международный стандарт МЭК 60270. Методы высоковольтных испытаний - измерение частичных разрядов.

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

4. Программно-аппаратный комплекс для исследования параметров частичных разрядов / А.М. Гатауллин, М.Н. Бадретдинов, В.Л. Матухин, Д.Ф. Губаев // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2007. - №7-8. - С.44-50.

5. R Altenburger, C Heitz and J Timmer. Analysis of phase-resolved partial discharge patterns of voids based on a stochastic process approach // J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 35, 2002. - 1149-1163 pp.

6. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения / М. Байер, В. Бёк, К. Мёллер, В. Цаенгель. Пер. с нем. // Под ред.

В.П. Ларионова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 555 с.

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

8. Van Brunt R.J. and Kulkarni S.V. Stochastic properties of Trichel-pulse corona: a non-Markovian random point process // Phys. Rev. A. - Vol 42. - 1990. -4908-4932 pp.

9. Morrow R. Theory of negative corona in oxygen // Phys. Rev. A. - vol. 32. -№3. - 1985. - 1799-1809 pp.

10. 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.

Поступила 17.09.2008