CC BY
52
УДК 621.3.048
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ФАРФОРА
М.В.АВВАКУМОВ, А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ
Описана методика исследования пробойных свойств электротехнического фарфора, основанная на применении устройства для регистрации частичных разрядов РЧР-1. Создан измерительный стенд для проведения таких измерений. Выполнен обзор форм отображения данных о частичных разрядах. Проведены пробные измерения.
Введение
Основным материалом, из которого изготавливается широкий спектр изоляторов опорного и проходного типа, является электротехнический фарфор. Зазор между электродами в опорном изоляторе, состоящем из системы электрод -цементирующий слой - фарфоровый диэлектрик - цементирующий слой -электрод, состоит из трех последовательно соединенных диэлектриков, обладающих различными электрофизическими свойствами. Пробивные свойства фарфорового диэлектрика, в первую очередь, определяют его механическую целостность, изолирующую способность и долговечность. Существующие методы испытаний изоляционных материалов на электрическую прочность ([1], [2], [3], [4]) не позволяют со всей определенностью судить о надежности изолятора. Разрушение высоковольтных изоляторов может быть вызвано большим количеством различных причин, последовательность или одновременность которых требует проведения комплексных исследований и последующей разработки наиболее адекватной модели. Поэтому простая проверка изоляторов проходного или опорного типов на электрическую прочность может не выявить дефектный изолятор на этапе его приемо-сдаточных испытаний - в результате дефектный изолятор может быть установлен на работу в высоковольтную сеть. Более того, не показавший поначалу своих дефектных свойств, изолятор может выявить их позднее. Поэтому существуют методы исследования изоляторов ([5], [6]), основанные на регистрации частичных разрядов (ЧР). Предложенная нами методика исследования характеристик электрического пробоя фарфоровых модельных образцов на базе разработанного устройства РЧР-1 [7] позволяет провести тщательное изучение зависимостей параметров регистрируемых ЧР от состояния изолятора. Полученные в результате исследований данные могут быть опорными при анализе состояния реальных фарфоровых высоковольтных элементов.
Система электродов экспериментальной установки
Частичным разрядом называется разряд на поверхности или внутри изоляции под действием приложенного напряжения, перекрывающий только часть изоляционного промежутка между электродами. Участок, шунтируемый ЧР, может примыкать к одному из электродов. Частичный разряд возникает либо на участке с пониженной электрической прочностью в воздушном или газовом включении, либо в зоне повышенной напряженности электрического поля. Наибольшую опасность представляют ЧР в газовых включениях, так как они возникают при меньших напряжениях, чем в твердых диэлектриках [8].
© М.В. Аввакумов, А.В. Голенищев-Кутузов Проблемы энергетики, 2003, № 5-6
Для моделирования целого и дефектного изоляторов создана измерительная ячейка экспериментальной установки. Система электродов ячейки состоит из электрода с наконечником из стального шарика (диаметр 4 мм) и плоского электрода. Возможны две конфигурации в расположении электродов относительно исследуемого диэлектрика: продольная - для исследования пробоя газового промежутка между электродами и поперечная - для исследования пробоя по поверхности диэлектрика.
Модельные образцы фарфорового диэлектрика вырезаны в виде прямоугольных пластин размером 30х50 мм и толщиной 2мм из электротехнического фарфора. Пластина образца помещается между электродами. Для моделирования цельного изолятора шариковый и плоский электроды плотно прижаты к образцу, разряд происходит исключительно внутри твердого фарфорового диэлектрика при значительных величинах приложенного напряжения. В случае дефектного изолятора между шариковым электродом и пластиной из фарфора создается воздушный промежуток, моделирующий трещины и сколы внутри проходного изолятора. Промежуток пробивается при значительно меньших пробивных напряжениях. В случае исследования эффекта поверхностного пробоя оба электрода располагаются на одной поверхности образца в разных сторонах прямоугольника модельной пластины. Для эмуляции дефекта в этом случае служит разлом пластины, соединяющей электроды с небольшим воздушным промежутком между разломанными частями.
Экспериментальная установка для исследования изоляторов Экспериментальный стенд для проведения измерений по пробою электротехнического фарфора (рис.1) состоит из источника промышленной частоты ~220B, автоматического выключателя АВ, автотрансформатора АТ, измерительного вольтметра ИВ, повышающего высоковольтного
трансформатора ВТ, разрядной ячейки РЯ, индукционного датчика ИД, устройства РЧР-1 и персонального компьютера ПК.
АВ АТ BТ РЯ
ИВ
И?
ПК
Рис.1. Блок-схема стенда для исследования пробоя модельных изоляторов
Измерительный тракт стенда включает индукционный датчик, регистрирующий вызванные ЧР импульсы тока в цепи разрядной ячейки; устройство амплитудно-фазовой регистрации ЧР, выполненное авторами для неразрушающего контроля состояния изоляции РЧР-1 [8] и персональный компьютер, осуществляющий управление процессом измерения, отображением и архивацией данных о ЧР.
В схеме подачи высокого напряжения на разрядную ячейку высокое напряжение создается высоковольтным трансформатором ВТ, запитываемым от повышающего автотрансформатора, коэффициент трансформации которого
меняется механическим регулятором. Численное значение подаваемого питающего напряжения контролируется измерительным вольтметром ИВ. Таким образом, стенд позволяет проводить измерения при различных значениях питающего напряжения в диапазоне 0-10кВ.
Разрядная ячейка помещена в закрытый объем с отодвигаемой заслонкой для работы с РЯ. Стенд оборудован системой блокировки подачи высокого напряжения при попытках отрыть заслонку во время работы, а также автоматическим выключателем АВ для защиты от токовых перегрузок.
Методика исследований
Выделим органы управления измерительной установки. Во первых, это регулятор автотрансформатора, позволяющий изменять напряжение на системе электродов разрядной ячейки в диапазоне от 0 до 10кВ. Во вторых, регулятор положения шарикового электрода, обеспечивающий различные величины воздушного зазора между электродом и фарфоровым диэлектриком. И в третьих, компьютер, осуществляющий сбор данных в заданном диапазоне амплитуд.
Перед проведением измерений производится настройка расстояния d между шариковым электродом и образцом и расстояния Ь от индукционного датчика до шарикового электрода. Рабочие диапазоны изменения этих величин следующие: d=0-5 мм, Ь=10-150 мм.
Измерения проводятся следующим образом. Стенд включается в сеть переменного напряжения ~220В, 50Гц и автоматическим выключателем
приводится в рабочее состояние. Далее по измерительному вольтметру при помощи автотрансформатора устанавливается требуемое значение питающего напряжения. На персональном компьютере уже должна быть запущена программа управления измерением РБ81оге у1.1. Далее устройство РЧР-1 приводится в состояние ожидания команд от ПК. Ждущий режим устройства будет продолжаться до тех пор, пока на ПК не будут установлены параметры измерения (начальная амплитуда ЧР, конечная амплитуда ЧР и шаг приращения амплитуды) и не запущен процесс измерения. После запуска измерения проходят в автономном режиме: прибор РЧР-1 по сигналам индукционного датчика и сигнала синхронизации питающей сети считает число импульсов ЧР данной амплитуды, затем передает серию данных на ПК, метку окончания серии. Далее амплитуда сканирования ЧР изменяется на величину установленного шага, устройство снова проводит измерение, снова передает данные на ПК и так до максимальной амплитуды. Более подробная информация об амплитудно-фазовом методе регистрации ЧР - в работах [8], [9]. По окончании на ПК передается метка окончания измерения и запущенная программа переходит в режим отображения.
Программа РБ81оге - Windows 9х приложение с современными средствами визуализации данных, позволяющими быстро и удобно менять тип диаграмм, их ориентацию, масштаб, сохранять их на жесткий диск и выводить на принтер.
Формы отображения данных о ЧР
Основную информацию об источнике ЧР несут величина (заряд) импульса, фаза его возникновения и частота следования импульсов ЧР. Частичные разряды имеют стохастический характер, т.е. все их параметры сильно изменяются во времени и имеют большой случайный разброс, поэтому наиболее значительными параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов ЧР, а средние значения параметров импульсов ЧР и формы их распределения по
амплитуде и фазе относительно приложенного переменного напряжения ([8], [9]).
Данные о ЧР представляются в нескольких формах отображения. Их можно разбить на две группы: изображение данных без предварительной
математической обработки и отображение производных от первичных данных. Данные, принимаемые от устройства РЧР-1, имеют формат двухмерного массива data[pulse, phase], где аргумент pulse - амплитуда ЧР, а phase - номер фазового промежутка синусоиды питающего напряжения. Значение массива data -количество импульсов ЧР. В программе предусмотрено два типа изображения массива data на плоскости. Это точеная диаграмма зависимости амплитуды ЧР от номера фазового интервала, где информация о количестве импульсов представляется толщиной точки - в первом случае и цветом точки - во втором. Третьей формой отображения массива data является собственно трехмерная диаграмма с цветовой индикацией. На этой диаграмме горизонтальная ось соответствует фазовому интервалу, вертикальная ось - амплитуде ЧР, а третья ось - количеству ЧР.
Кроме первичных данных, необходимых для получения общих представлений о полученной информации, в программе предусмотрена математическая обработка для получения более характерных зависимостей. Во первых, серия так называемых максимальных характеристик. На первой диаграмме в виде гистограммы представляется графическая зависимость Qmax (р), где Qmax - максимальная амплитуда среди всех импульсов, возникших
в течение данного фазового промежутка р. Распределение максимальных амплитуд позволяет судить о фазовом распределении ЧР максимального заряда. На второй диаграмме - аналогичная зависимость, но для максимального за фазовый интервал количества импульсов ЧР Nmax (р). Во вторых, распределение суммарных амплитуд ЧР за фазовый интервал Q^ (р), т.е.
где Р - верхняя граница амплитудного диапазона, Д2 - шаг квантования амплитуд ЧР. Это распределение пропорционально распределению суммарного кажущегося заряда и показывает распределение энергии частичных разрядов за период синусоиды питающего напряжения. В третьих, распределение средних значений амплитуд Цср (р)
Кроме фазовых распределений программа выполняет расчет интегральных характеристик, а именно: для распределений 2шах(?)> 2е(?), Qср(?), тах (Р)
вычисляются суммы по всему фазовому диапазону питающего напряжения, а также суммы в каждом полупериоде.
P
Qs(p)=AQ Е N (p),
(1)
i =1
P
(2)
Пробные измерения
Проведены пробные измерения ЧР для получения качественных характеристик измерительного стенда. Измерения показали наличие шумового сигнала, наводимого в датчике высоковольтным трансформатором и другими источниками переменного магнитного поля (рис.2). Шумовой сигнал имеет форму синусоиды промышленной частоты и амплитуду, величина которой составляет около 15% от полной шкалы регистрируемого сигнала. Постоянный во времени и независимый от положения датчика уровень шума позволил исключить его из полезного сигнала программными средствами приложения PDStore. Измерения ЧР при различных расстояниях между электродом и образцом и различных приложенных напряжениях от 2 до 10 кВ показали, что сигналы ЧР уверенно детектируются при расстояниях между датчиком и разрядной ячейкой от 150 мм и меньше.
100
Фаза, градусы
Рис. 2. Амплитудно-фазовая диаграмма ЧР при напряжении 9кВ и расстоянии между электродами 1 мм
Заключение
Измерительный стенд для исследования пробойных свойств изоляторов позволяет получать различные характеристики распределений частичных разрядов при различных величинах питающего напряжения. Методика проведения исследований предусматривает возможность изменения конфигурации системы электродов в разрядной ячейке, позволяет выделять сигналы шума и удалять их из полезного сигнала. Пробные измерения показали удовлетворительные результаты детектирования ЧР при различных питающих напряжениях и различных конфигурациях системы электродов.
Summary
The technique of research breakdown properties of the electrotechnical porcelain based
on application of the device for partial discharge registration RPD-1 is described. The
measuring stand realization of such measurements is created. The review of visualization types
of the PD data is executed. Trial measurements are carried out.
Литература
1. ГОСТ 6433-71. Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрической прочности при переменном (частота 50 Гц) и постоянном напряжении.
2. ГОСТ 20.39.312-85. Изделия электротехнические. Требования по надежности.
3. ГОСТ 24427-87. Материалы электроизоляционные. Методы относительного определения сопротивления пробою поверхностными разрядами.
4. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. -М.:Энергоатомиздат, 1994.-496с.
5. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование установок. Методы измерения частичных разрядов.
6. Рекомендации Всероссийского научно-технического семинара "Диагностика технического состояния фарфоровых изоляторов высоковольтных коммутационных аппаратов". М.: РАО ЕЭС России, 27-29 октября 1999 г.
7. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Захаров А.А. Цифровой метод регистрации фазовых распределений частичных разрядов проходных изоляторов. // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2002. - №8-9. - С. 84 - 85.
8. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. -Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2000. -348с.
9. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А.
Компьютерное устройство для регистрации процесса электрического пробоя и анализа электрической стойкости диэлектрических материалов. // Российский национальный симпозиум по энергетике РНСЭ, 1-14 сентября 2001:
Материалы докладов. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2001 - Т.11. С. 248-251.
