Введение к работе
Актуальность проблемы. В высоковольтном оборудовании вследствие неоднородности структуры изоляции возникают частичные разряды (ЧР), наличие которых является основной причиной ее старения. Измерение параметров ЧР и их последующий анализ помогают исследованию свойств изоляции, что приводит к возможности решения следующих важных задач. Задача прогнозирования заключается в определении таких граничных параметров интенсивности ЧР, при наличии которых срок службы изоляции соответствует нормативному. Важными являются: задача определения предельных параметров интенсивности ЧР, превышение которых приводит к необратимым процессам в изоляции с последующим ее быстрым разрушением, и задача обнаружения дефектов в изоляции по известным параметрам ЧР. Задача оптимизации заключается в минимизации объема ( веса, стоимости... ) используемой изоляции при наложении ограничений на характеристики интенсивности ЧР, превышение которых приведет к сокращению срока службы, а занижение - к необоснованному увеличению объема изоляции.
Основными параметрами интенсивности ЧР, дающими достаточно полную информацию о процессе, являются их количественные характеристики: средний кажущийся заряд q, его дисперсия D и частота разрядов п. Чувствительность измерения величины q обратно пропорционально зависит от емкости объекта так, что при малых емкостях возможны измерения ЧР минимальных интенсивнос-тей, а с увеличением емкости диапазон измеряемых значений q сокращается.
При исследовании изоляции объектов малой емкости существующие системы контроля изоляции позволяют выйти на основные характеристики ЧР ( q, D, n ), так как измеряют величину каждого отдельного заряда и подсчитывают их число. Для изоляции
- 4 -объектов средней и большой емкости ЧР малой интенсивности могут быть обнаружены системами контроля изоляции, измеряющими средние значения (ток, среднее напряжение, среднеквадратичное напряжение), слоеным образом зависящие от основных характеристик ЧР. Как правило, такие измерения не позволяют выделить значения q, D, п, а следовательно, лишь обнаругашаїот ЧР и позволяют весьма приближенно судить об их интенсивности. В этом случае приходится производить дополнительные исследования на образцах изоляции малой емкости с получением основных характеристик. Известно, однако, что по опытам на образце нельзя получить достоверную картину процесса в объекте в целом. Кроме того, изоляция высоковольтного оборудования требует постоянного наблюдения, а следовательно, нужны типовые испытания, зак-лючаощнеся в измерении характеристик ЧР в высоковольтных аппаратах непосредственно в процессе их эксплуатации. Наиболее неблагоприятными являются условия обнаружения и измерения ЧР в косинусных конденсаторах, так как емкость у них больше, а интенсивность q меньше, чем у других высоковольтных аппаратов.
Все поставленные задачи сводятся к необходимости определения характеристик интенсивности ЧР для реальных объектов, в той числе средней и большой емкости, что требует создания соответствующих систем контроля изоляции.
Цель работы. Целью работы является разработка систем контроля изоляции, которые позволяли бы измерять основные количественные характеристики ЧР q, D, п любой интенсивности при любых емкостях объектов как для лабораторных исследований, так и для типовых испытаний. Это приведет к получению достаточно полной информации о поведении ЧР при разработке новых видов изоляции и при эксплуатации существующих, а также позволит повысить эффективность использования высоковольтного оборудования.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.
-
Разработка математических моделей импульсных последовательностей ЧР в изоляции и на входе измерительной цепи системы контроля изоляции.
-
Получение закономерностей для частотных спектров последовательностей ЧР и их анализ.
-
Получение закономерностей, связывающих параметры спектров, характеристики ЧР и средние значения сигналов от ЧР, измеряемые приборами.
-
Разработка алгоритмов вычисления основных характеристик ЧР (q, D, п) по известным средним значениям.
-
Построение электрических систем контроля изоляции высоковольтного оборудования, реализующих полученные алгоритмы.
Методы исследования. Разработка математических моделей производилась на основании современных представлений о физике процессов в изоляции с применением соответствующих положений теории вероятностей. При выводе выражений для спектров и напряжений сигналов использованы теория спектрального анализа, элементы теории вероятностей, теоретические основы статистической радиотехники. При создании экспериментальной установки с формирователем пакета импульсов на логических элементах и проведении опытов на ней использованы положения аналогового моделирования. При проведении эксперимента с образцом конденсаторной изоляции (на установке системы контроля изоляции с фотоэлектрической схемой измерения) и его обработке использованы положения физического моделирования и элементы математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях и результатах.
1. Построены математические модели последовательностей
импульсов ЧР в изоляции высоковольтного оборудования: детерминированная, описывающая процессы при наличии одного очага ЧР; модель последовательности с детерминированными тактовыми интервалами в пакетах, описывающая процессы при наличии небольшого числа очагов ЧР; модель последовательности с пуассоновс-ким потоком в пакетах, описывающая процессы при наличии значительного числа очагов ЧР.
-
Построены три математические модели последовательностей импульсов на входе измерительной цепи от действия ЧР в изоляции: детерминированная, с детерминированными тактовыми интервалами в пакетах, с пуассоновским потоком в пакетах.
-
Обоснованы закономерности спектров последовательностей ЧР, приведенные в п. 2.
-
Обоснованы закономерности, связывающие характеристики ЧР q, D, пс действующими значениями напряжений в разных областях спектров.
Практическая ценность работы заключена в следующих результатах.
1. Для последовательностей ЧР с детерминированными такто
выми интервалами в пакетах разработаны алгоритмы получения ха
рактеристик ЧР q, D, п при измерениях:
а) в широкой полосе частот;
б) в узкой полосе частот.
2. Для последовательностей ЧР с пуассоновским потоком в
пакетах разработаны алгоритмы получения характеристик ЧР q, D,
п при измерениях:
а) в узкой полосе частот;
б) в двух узких полосах на низкой и высокой частотах.
3. Получены схемы системы контроля изоляции:
а) с анализатором спектра, реализующая алгоритм, упомянутый в п. 1а;
- 7 -0) с узкополосным усилителем и усилителями отдельных гармоник, реализующая алгоритм, упомянутый в п. 10;
в) с узкополосным усилителем и фильтрами отдельных гармо
ник, реализующая алгоритм, упомянутый в п. 2а;
г) с двумя узкополосными усилителями, реализующая алго
ритм, упомянутый в п. 26.
-
Разработана экспериментальная установка с формирователем пакетов импульсов на логических элементах, используемая для исследования спектров последовательностей импульсов и отработки алгоритмов перехода от спектральных характеристик к параметрам последовательностей во временной области.
-
Сделан вывод о возможности измерения характеристик ЧР в конденсаторах большой емкости при использовании схем системы контроля изоляции, упомянутых в п. п. Зв, г.
Реализация результатов работы заключается в следующих положениях.
-
Разработанная экспериментальная установка с формирователем пакета импульсов на логических элементах используется для проведения научно-исследовательской работы на кафедре электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета.
-
Схемы системы контроля изоляции высоковольтного оборудования на основе анализа спектров последовательностей ЧР и соответствующие им алгоритмы представлены для применения в АО " Кубаньэнерго ".
-
Эксперименты на установке (см. п.1), их обработка и анализ, отработка алгоритмов производятся при участии студентов в процессе учебно-исследовательской работы и дипломного проектирования.
Апробация работы проводилась в течение ряда лет на конференциях : научно-техническая конференция по итогам научно-ис-
следовательских работ за 1969-70 годы (Москва, МЭИ, 1971); научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ 8а 1970-71 годы (Москва, МЭИ, 1972); научно-техническая конференция (Москва, ВЭИ, 1970); научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов Кубани (Краснодар, 1973), научно-практическая конференция (Краснодар, КубГТУ, 1995), а также на научных семинарах кафедр "электроснабжения промышленных предприятий" и "электротехники" КубГТУ.
Публикации. Основное содержение диссертации опубликовано в 9 печатных работах и отчете по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 158 наименований, трех приложений, содержит 240 страниц, 55 рисунков, 16 таблиц.
Автор выражает глубокую искреннюю признательность научному руководителю д-ру техн.наук, профессору Коробейникову Б.А. и доценту кафедры ТВН МЭИ, кандидату технических наук Пинталю Ю.С. за научные консультации и методическую помощь при выполнении диссертационной работы.
