CC BY
30
УДК 621.315.612.2; 621.315.624.61 Куценко Сергей Михайлович,
канд. техн. наук, доцент кафедры «Телекоммуникационные системы» ИрГУПС,
тел. (3952)638-338, e-mail: [email protected] Муратов Валерий Илларионович, заведующий лабораториями кафедры «Телекоммуникационные системы» ИрГУПС,
тел. (3952)638-323 Климов Николай Николаевич,
д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Телекоммуникационные системы» ИрГУПС,
тел. (3952)638-323, e-mail: [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ФАРФОРОВОГО ИЗОЛЯТОРА, СОДЕРЖАЩЕГО ЛОКАЛЬНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ
S.M. Kutsenko, V.I. Muratov, N.N. Klimov
MODELING OF AN EQUIVALENT CIRCUIT OF THE PORCELAIN INSULATOR CONTAINING LOCAL HETEROGENEITY
Аннотация. Рассмотрен вопрос изучения параметров импульсов частичных разрядов (ЧР), возникающих в фарфоровых изоляторах. Регистрируемые импульсы ЧР позволяют оценить состояния фарфорового изолятора. Для адекватного понимания процесса образования импульсов ЧР в статье изложены результаты моделирования схемы замещения фарфорового изолятора в математическом редакторе Matlab, прикладной пакет Simscape, что позволяет определить параметры схемы замещения и установить диагностические признаки неисправного изолятора.
Ключевые слова: частичный разряд, фарфоровый изолятор, схема замещения.
Abstract. Question of studying parameters of impulses of the partial discharge (PD) arising in porcelain insulatorsis considered. Registered impulses of PD allow to estimate conditions of a porcelain insulator. The results of the modeling of an equivalent circuit of a porcelain insulator are stated in the article for adequate understanding of process of formation of impulses of PD. The modeling is made with the help of the mathematical editor Matlab, applied package Simscape, that allows to define parameters of an equivalent circuit and to establish diagnostic signs of a faulty insulator.
Keywords: partial discharge, porcelain insulator, equivalent circuit.
Введение
В последнее время большое распространение получили методы диагностики высоковольт-
ной изоляции, основанные на регистрации частичных разрядов (ЧР) [1-6]. Разработаны многочисленные диагностические приборы, которые регистрируют различные параметры импульсов ЧР (частота следования импульсов, спектр и др.) [7, 8]. Тем не менее, интерпретация результатов многочисленных измерений, как в отечественной, так и в зарубежной литературе, не позволяет четко понять природу появления импульсов ЧР, внятно и наглядно проиллюстрировать исследуемый процесс адекватными схемами замещения. Проблема исследований ЧР связана с достаточно коротким процессом развития ЧР. Для регистрации подобных импульсов требуется высокочастотное измерительное оборудование. Форма импульсов ЧР зависит, с одной стороны, от наличия в измерительной цепи различных пассивных элементов, с другой стороны, от внутреннего строения диэлектрика. Задачей исследования является отделение влияния измерительной цепи и построение эквивалентной электрической схемы, которая позволит воспроизвести наблюдаемую форму импульсов ЧР. В статье предпринята попытка на основе наблюдаемых форм импульсов, возникающих при ЧР в фарфоровом изоляторе и регистрируемых в определённой конфигурации измерительных элементов, разработать путём численного моделирования электрическую схему замещения частично пробиваемого изолятора. Приводятся результаты исследования электромагнитных характеристик импульсов ЧР, возникающих в фарфоровых изоляторах, обсуждается разнообразие
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Cx
R
ЦО
ш
форм импульсов. На основе предложенной нами схемы замещения приводятся результаты моделирования процесса.
Эксперимент
В качестве объекта исследований используются исправные и неисправные фарфоровые изоляторы, которые были в эксплуатации на контактной сети железной дороги. Схема измерений приведена на рис. 1.
Т
Рис. 1. Схема регистрации частичных разрядов в фарфоровом изоляторе, R =50 Ом
В исследованиях применяется высоковольтная установка типа WPT 4,4/100 фирмы TuR. С
установки на исследуемый изолятор подается регулируемое высокое напряжение частотой 50 Гц.На схеме исследуемый объект обозначен как Cx. Регистрация импульсов ЧР осуществляется цифровым осциллографом ЦО фирмы Agilent-Technologies типа DSO 3202А, измеряемый диапазон частот 200 МГц. Во время эксперимента наблюдаются импульсы ЧР разных форм. Результаты измерений приведены на рис. 2, а-в.
На рис. 2, а приведена осциллограмма импульса ЧР с исправного изолятора. Согласно инструкции [9], исправным считается изолятор, сопротивление которого больше 300 МОм при измерении его мегомметром на постоянном напряжении. Напряжение на изоляторе 18 кВ.
Для лучшего понимания процессов частичного пробоя фарфорового изолятора составим схему замещения исследуемого диэлектрика, используя для этого характеристики наблюдаемых сигналов. Разработку схемы необходимо провести с учетом полученных в ходе измерений осциллограмм, форма которых зависит от электрических параметров исследуемой цепи. В свою очередь, по форме импульса можно судить о параметрах схемы. Использование описанных в литературе
а) масштаб: ось Х: 50 нс/дел, ось Y: 200 мВ/дел
б) масштаб: ось Х: 50 нс/дел, ось Y: 10 мВ/дел
1 1 II 1 1 1 1 1
1...........:.....................................................................:..............................................:.....................
\ i
Г 1 1 1 1 1 1 1 1
г) по оси Х: 100 нс/дел
I I I I
д) по оси Х: 100 нс/дел
1
1 ; / ■.
/ \ / ■■ / ■
1 1 i i
е) по оси Х: 100 нс/дел
в) масштаб: ось Х: 50 нс/дел, ось Y: 50 мВ/дел
Рис. 2. Осциллограммы импульсов ЧР, полученных на разных изоляторах: а - в - импульсы ЧР, полученные в эксперименте, 2 г - е - результаты моделирования
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
[1,6,11,12] схем замещения диэлектриков, в которых возникают ЧР, не позволяет получить желаемого результата. Нами составлена схема замещения, точнее объясняющая существенные моменты реакции модели на ЧР в фарфоровых изоляторах различного качества.
Модель
Качественное моделирование процесса производится в математическом редакторе Matlab с помощью прикладного пакета Simscape. Предлагаемая схема замещения диэлектрика (рис. 3) состоит из ёмкости С3, представляющей промежуток диэлектрика, пробиваемого при ЧР, емкости С2, отражающей часть диэлектрика, включенного последовательно с пробойным промежутком и обладающего утечкой R1, и ёмкости С4, включенной последовательно с промежутком без утечки. Емкость С1 - остальной диэлектрик. На схеме L1 представляет индуктивность соединительных проводов.
Источник напряжения обозначен DCvoltage-source. Блоки solver configuration, simulink- PS converter, voltage sensor необходимы для согласования пакета Simscape и среды Simulink. Блок Scope - осциллограф, позволяет наблюдать вре-
менные процессы, протекающие в исследуемой цепи. Ток, протекающий в схеме во время ЧР, регистрируется на R3 блоком Scope. Считая, что к моменту начала ЧР емкости С1 и соединённые последовательно С3 и С4 зарядятся через L1 и R3 до напряжения источника питания, а С2 разрядится через R1 до нуля, подключаем по сигналу импульсного генератора (pulsegenerator) с помощью блока Switch на короткое время R2 к ёмкости С3 (моделирование ЧР). Постоянная времени R2C3 соответствует времени ЧР. Это приводит к быстрому разряду конденсатора С3 и переходному процессу в схеме.
Результаты моделирования
Моделирование процесса проведено с учётом результатов, полученных при экспериментах в высоковольтной лаборатории. В частности, при измерении импульсного электрического поля в ближней зоне установлена длительность ЧР порядка нескольких наносекунд [13]. Постоянные времени, характеризующие переходные процессы, приблизительно равны сотням наносекунд. Исходя из этого, были заданы значения емкостей и сопротивлений и получены отклики, показанные на рис. 2, г-е.
— Ого ипс| 1
Рис. 3. Модель схемы замещения фарфорового изолятора, содержащего локальные неоднородности
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
m
На рис. 2, г показана кривая, отображающая импульс рис. 2, а, полученная в результате моделирования со следующими параметрами: входное напряжение равно 1 кВ, С2 = 0,1 пф, С3 = 1 пф, С4 = 100 пф, R1 = 10 кОм, R2 = 1 кОм. Импульсный генератор позволяет на время 70 нс осуществить моделирование ЧР замыканием ёмкости С3 с помощью блока Switch.
Сигнал, похожий на радиоимпульс, приведён на рис. 2, б. Схожий по форме импульс, полученный при параметрах модели С2 = 0,1 пф, С3 = 10 пф, С4 = 100 пф, R1 = 10 кОм, R2 = 1 кОм, приведён на рис. 2, д. Длительность ЧР равна 10 нс. Как видно из сравнения рис. 2, г и 2, е при изменении ёмкости включения, где возникает ЧР, на порядок, а также длительности ЧР, форма импульса значительно изменилась.
На рис. 2, е приведена модель симметричного импульса (реальные измерения аналогичного импульса приводятся на рис. 2, в). Параметры модели: С2 = 0,001 пф, С3 = 1 пф, С4 = 0,1 пф, R1 = да, R2 = 1 кОм. Ключевым элементом этого варианта модели схемы является сопротивление R1, при стремлении его к бесконечности форма импульса становится более симметричной.
Заключение
При наблюдении симметричного импульса можно говорить об исправности изолятора, при резкой асимметрии относительно оси абсцисс можно судить о неисправности изолятора, т. е. моделирование показало, что подобные процессы могут возникать при малом сопротивлении г1=10 кОм. Выявленная закономерность может являться диагностическим признаком неисправности изоляции.
Дальнейшие исследования модели предполагают получение результатов в случае нескольких включений разного рода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. - Новосибирск : Наука. - 2007. - 155 с.
2. Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. - М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 216 с.
3. Козлов Д. Е. Современные методы поиска мест повреждения в кабельных линиях // Энергетик.
- 2005. - № 7. - С. 43-44.
4. Рыбаков Л. М. Методы и средства обеспечения работоспособности электрических распределительных сетей 10 кВ. - М. : Энергоатомиздат, 2004. - 420 c.
5. Технологии оценки состояния фарфоровых изоляционных конструкций высоковольтных установок / А. А. Шейкин, А. И. Таджибаев, Ю. А. Омельченко, М. А. Наделяев. - СПб. : Изд-во ПЭИПК Минтопэнерго России, 2004. -110 с.
6. Сви П. М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 128 с.
7. Ресурс доступа: http://www.dimrus.ru
8. Русов В. А. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. -Екатеринбург : Изд-во УрГУПС. - 2011. -367 с.
9. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог : ЦЭ-868 / Департамент электрификации и электроснабжения М-ва путей сообщ. РФ. - Утв. 11.12.2001. - М. : ТРАНС-ИЗДАТ, 2002. - 184 с.
10. Get Started with MATLAB : Learn the basics in 5 minutes [Electronic ressources]. - 1994-2011. -URL : http://www.mathworks.com.
11. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л. : Энергия. Ле-нингр. отд-ние, 1979. - 224 с.
12. Куперштох А. Л., Стамателатос С. П., Агорис Д. П. Моделирование частичных разрядов в твердых диэлектриках на переменном напряжении // Письма в журн. техн. физики. - 2006. -Т. 32, вып. 15. - С. 74-81.
13. Параметры частичных разрядов в высоковольтных изоляторах / Муратов В. И., Климов Н. Н., Куценко С. М., Балханов В. К. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2008.
- Т. 13, № 4. - С. 55-59.
