CC BY
30
РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ НА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 КВ И ВЫШЕ
А.М. ГАТАУЛЛИН*, М.Н. БАДРЕТДИНОВ*, Д.Ф. ГУБАЕВ**, В.Л. МАТУХИН*
*Казанский государственный энергетический университет **ОАО «Сетевая компания»
Показана возможность проводить диагностику изоляторов высоковольтных линий электропередачи методом регистрации частичных разрядов (ЧР) с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса. Дано описание программной части комплекса, позволяющей накапливать и обрабатывать сигналы ЧР. Получены осциллограммы сигналов ЧР на лабораторном стенде и на действующей линии электропередачи напряжением 110 кВ. Преимущество программно-аппаратного комплекса заключается в его компактности и удобстве эксплуатации. Разработанный прибор обладает хорошей помехоустойчивостью благодаря применению электромагнитного датчика с частотной модуляцией радиосигнала.
Введение
Повреждения изоляторов высоковольтных линий электропередачи на начальной стадии развития в основном обусловлены тремя типами дефектов: воздушные включения в толще твёрдого диэлектрика; нарушения контакта на границе металл-диэлектрик; микротрещины в толще изолятора, которые развиваются в процессе эксплуатации [1]. Наличие перечисленных повреждений приводит к накоплению в них зарядов, которые под воздействием напряжения сети перераспределяются и перемещаются через микротрещины в толще изолятора, образуя частичные разряды (ЧР). ЧР приводят к потерям электроэнергии, развитию микротрещин и в итоге - к образованию дугового разряда и полному разрушению участка цепи. Поэтому существует актуальная проблема диагностирования динамики развития дефектов высоковольтных изоляторов с целью предотвращения их полного разрушения [2].
Целью данной работы является разработка программно-аппаратного комплекса (ПАК) и методики диагностики изоляторов воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше. Применяемые на сегодняшний день каналы получения информации о ЧР имеют ряд ограничений. Эти ограничения связаны, например, с громоздкостью оборудования (контактный метод, предусмотренный ГОСТом 20074-83), высокой стоимостью (ультразвуковая диагностика), существенной зависимостью метода измерения от условий окружающей среды (акустический метод [3]). В данной работе предложен метод контроля степени разрушения изоляторов воздушных линий электропередачи напряжением 110 кВ, основанный на анализе параметров частичных разрядов (ЧР), регистрируемых цифровым электромагнитным датчиком с частотной модуляцией сигнала. Данный метод основан на результатах, полученных ранее с помощью сканера для регистрации сигналов ЧР, а также методике определения уровня шума в зависимости от расстояния и напряжения на разрядной ячейке типа «плоскость-игла». Применение частотной модуляции при регистрации ЧР
© А.М. Гатауллин, М.Н. Бадретдинов, Д.Ф. Губаев, В.Л. Матухин Проблемы энергетики, 2007, № 7-8
обусловлено тем, что частотно-модулированный сигнал обладает большей помехоустойчивостью в сравнении с амплитудно-модулированным [4].
Методика и обсуждение результатов
Были проведены измерения и анализ электромагнитной активности, обусловленной сигналами частичных разрядов (ЧР) в лабораторных условиях и на действующем высоковольтном оборудовании.
Для исследования сигналов ЧР был собран программно-аппаратный комплекс, блок-схемы которого показаны на рис. 1.
ППК ЦЭМД АН
J
ДВ
X
БП
а) б)
Рис. 1. а) Блок-схема программно-аппаратного комплекса: ППК - портативный
персональный компьютер; ЦЭМД - цифровой электромагнитный датчик; ДВ - датчик влажности; АН - антенна направленная; б) Блок-схема ЦЭМД: МК-микроконтроллер фирмы Telechips; БНЧ-блок настройки частоты; БНУС-блок настройки уровня сигнала;
ЖКД-жидкокристаллический дисплей; БП-блок питания
Чувствительность ЦЭМД позволяет регистрировать сигналы, различающиеся по амплитуде на величину 1 мВ; частотная полоса пропускания -10 ^140 кГц. Измерения проводились на частоте 97,8 МГц с шириной полосы ±5 МГц, которая подбиралась из принципа минимального значения шумов при фиксированном значении уровня сигнала.
В ходе лабораторных исследований контактным методом (с применением осциллографа Tektronix TDS 1012) и бесконтактным методом с помощью индукционного (ИД), электромагнитного (ЭМ) и цифрового электромагнитного датчиков (ЦЭМД) регистрировались импульсы Тричела [5], представляющие образцовые сигналы ЧР (рис. 2). Из данного рисунка видно, что в случае применения контактного электрического метода, кроме положительного выброса величиной 35 мВ, формируется отрицательный выброс амплитудой 12 мВ (рис 2), обусловленный наличием в измерительной цепочке конденсатора развязки, который может быть ошибочно учтен как сигнал ЧР, что существенно исказит точность оценки статистических параметров ЧР (количества и средних значений сигналов). В случае детектирования импульсов Тричела с помощью ЦЭМД, отрицательного выброса не наблюдается (рис. 3, 4) и мы можем получить более достоверные статистические данные о распределении сигналов ЧР.
Напряжение на разрядной ячейке (РЯ) менялось в интервале 4^7 кВ с шагом 1 кВ, расстояние от датчиков до разрядной ячейки менялось в интервале
0.1^3 м с шагом 0.1 м. Результаты измерений, проведённых с помощью ЦЭМД, оказались более информативными по сравнению с результатами, полученными с применением ЭМ датчика. С помощью ПАК (рис. 1) нами были проведены
измерения в лаборатории и на действующей высоковольтной линии (ВЛ) напряжением 110 кВ ОАО «Сетевая компания» (Казанские электрические сети). Среднее расстояние до гирлянды изоляторов составляло 10 м, частота измерения 97,8 МГц с шириной полосы ±5 МГц подбиралась из принципа минимума шумов. Частота демодулированного сигнала соответствует частоте действующего напряжения - 50 Гц. Уровень входного сигнала задавался в диапазоне ±1000 мВ, что обусловлено измерительной системой. Осциллограмма сигнала, наблюдавшаяся в лабораторных условиях, показанная на рис. 3, оказалась идентичной осциллограмме, полученной нами на действующей высоковольтной линии (рис. 4). Форма осциллограммы в обоих случаях идентифицирована как гармонический сигнал, модулированный сигналами ЧР.
Рис. 2. Импульс Тричела, полученный контактным методом
Рис. 3. Осциллограмма сигнала ЧР, полученная с помощью ПАК в лабораторных условиях
^’Н-1-4-1-4-1-4-1-4-1-4-1-4-1-4-1-4-1-4-1-1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Время, х50мс
Рис. 4. Осциллограмма сигнала ЧР, полученная с помощью ПАК на ВЛ напряжением 110 кВ
По осциллограмме рис. 4 был проанализирован сигнал шума. Оказалось, что амплитуда шумового сигнала равна 30 мВ, частота равна 50 Гц, при этом сигнал шума модулирован сигналами ЧР. Сделан вывод о том, что природа шума в основном связана с действующим напряжением на высоковольтной линии. Источниками шума также могут являться коронные разряды, вызванные © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8
загрязнениями изоляционной конструкции, сигналы высокочастотной связи, аппаратные шумы и т. д. Сигналы ЧР, с учетом уровня шума, с ЦЭМД передавались на переносной компьютер (ноутбук), накапливались, обрабатывались и записывались в базу данных специально разработанной программы. Компьютерная программа также позволяет регистрировать, сохранять и обрабатывать данные сигналов ЧР в течение 10 циклов, при этом длительность каждого цикла может быть задана от 1 до 10 секунд.
В программной части ПАК применяется следующий алгоритм обработки накопленных данных:
1. Усредненные данные амплитуды и количества сигналов ЧР, полученные в течение 10 циклов измерений, усредняются.
2. Определяется MACD - математическое ожидание конвергенция-дивергенция для каждого цикла измерения, т. е. абсолютная ошибка измерения, определенная в каждой серии измерений по отношению к среднему значению по всем измерениям.
3. Затем данные сохраняются в базе данных.
Программная часть ПАК на каждом цикле измерений определяет и отображает на экране компьютера следующие основные статистические параметры:
• среднюю амплитуду сигналов ЧР, превышающих нулевое значение, за вычетом шума;
• среднее количество сигналов ЧР, превышающих нулевое значение, с учётом шума;
• среднюю амплитуду сигналов ЧР, меньших нулевого значения, за вычетом шума;
• среднее количество сигналов ЧР, меньших нулевого значения, с учётом
шума.
Далее программа усредняет вышеперечисленные основные статистические параметры сигналов ЧР по всем 10 циклам измерений и вычисляет значения MACD:
• MACD средней амплитуды сигналов ЧР, превышающих нулевое значение, за вычетом шума;
• MACD среднего количества сигналов ЧР, превышающих нулевое значение, с учётом шума;
• MACD средней амплитуды сигналов ЧР, меньших нулевого значения, за вычетом шума;
• MACD среднего количества сигналов ЧР, меньших нулевого значения, с учётом шума.
Кроме этого в базе данных ПАК, разработанной в СУБД Interbase, ведётся учёт следующих основных данных высоковольтной опоры (ВО): кода, данных организации, в ведении которой находится высоковольтная опора, напряжения сети, описания ВО.
ПАК также позволяет учитывать следующие основные параметры измерений: код записи, дату записи, длительность записи, уровень шума, значение относительной влажности, данные сотрудника, проводившего измерения.
ПАК предусматривает графическое отображение статистических параметров электромагнитной активности на ВЛ, обусловленных частичными разрядами (рис. 5).
Рис. 5. Столбовая диаграмма статистических параметров электромагнитной активности на ВЛ
напряжением 110 кВ
Столбовая диаграмма отображает данные, полученные в автоматическом режиме измерения, в котором предусмотрены стандартные параметры измерения: длительность одного цикла измерения равна 1 с, а количество циклов измерения равно 10. Графа 2 отображает не отрицательное значение сигналов без шума, а величину параметра MACD средней амплитуды сигналов ЧР, которое в данном случае означает абсолютную погрешность измерения среднего значения сигнала за 10 циклов.
Выявлено, что все MACD близки к нулевой отметке, а основные статистические параметры находятся в пределах MACD вблизи средних значений. Это означает, что мы наблюдаем достаточно большое количество сигналов ЧР и эти сигналы имеют случайное распределение.
Сопоставляя статистические параметры сигналов ЧР для ВО одного и того же типа, можно определить ВО, в подвесных изоляторах которых с большей вероятностью развивается процесс разрушения.
Таким образом, можно говорить о том, что электромагнитный метод детектирования позволяет делать некоторые выводы о состоянии высоковольтных изоляторов. Из сопоставления осциллограмм, полученных с помощью ПАК (рис. 3, 4), мы считаем, что они идентичны по следующим признакам: сигнал шума, в основном обусловленный действующим напряжением, модулирован пиковыми сигналами малой длительности, возникающими случайным образом. На рис. 2 изображена диаграмма с импульсами Тричела -образцовыми сигналами поверхностных частичных разрядов (ПЧР) и ЧР. Для сигналов ПЧР, как известно, характерен эффект памяти - повторяемость с определенным значением амплитуды и длительности - который наблюдается на
осциллограммах, изображенных на рис. 3 и 4, поэтому мы идентифицировали пиковые сигналы, модулирующие амплитуду действующего напряжения как сигналы ПЧР и ЧР. Эффект памяти особенно заметен на осциллограмме, полученной с помощью ПАК в лабораторных условиях (рис. 3). О случайном характере распределения пиковых сигналов свидетельствует статистическая оценка электромагнитной активности - отклонение средних значений количества и амплитуды сигналов, определенных в каждой серии измерений, меняется равновероятно в положительную и отрицательную сторону по отношению к среднему значению, определенному по всем 10 сериям измерений. Соотношение сигнал-шум для осциллограммы, полученной с помощью ПАК на ВЛ напряжением 110 кВ (рис 4), значительно меньше по сравнению с соотношением сигнал-шум для осциллограммы, полученной в лабораторных условиях (рис 3), что говорит о хорошем состоянии изоляторов ВЛ напряжением 110 кВ и наиболее вероятном превалировании сигналов ПЧР и ЧР по сравнению с сигналами короны.
Выводы
Предложен эффективный бесконтактный метод поиска повреждений изоляторов высоковольтных линий напряжением 35 кВ и выше, основанный на регистрации и анализе данных частичных разрядов, полученных электромагнитным датчиком. Метод позволяет в течение короткого времени с незначительными, по сравнению с другими имеющимися методами, затратами сравнивать статистические данные электромагнитной активности изоляторов воздушных линий электропередачи и проводить эффективную экспресс-диагностику состояния изоляторов воздушных линий электропередачи напряжением 110 кВ.
При увеличении количества воздушных вкраплений в толще изоляции, средние количественные параметры электромагнитной активности (средние амплитуды сигналов ЧР и средние количества сигналов ЧР) при одном и том же значении относительной влажности будут расти. Резкое увеличение этих параметров должно сигнализировать о необходимости проведения более тщательного осмотра изоляторов высоковольтной опоры и принятия решения о необходимости дальнейших профилактических работ с целью предотвращения аварийных отключений высоковольтных линий.
Summary
The effective remote method to find insulator damages on power lines of 35 kV or higher is suggested. Method based on registration and analysis of partial discharges data, received with electromagnet sensor. This method allows to compare statistical data of power insulator electromagnet activity and to provide express-diagnostics of 110 kV power line insulator condition with minimal time and financial costs.
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. 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.
4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -М.: Высшая школа. - 1988.
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.
Поступила 19.02.2007
