Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и устройства контроля за состоянием изоляции трансформаторов 14
1.1. Методы и устройства, контроля за состоянием изоляции трансформаторов, основанных на регистрации частичных разрядов 14
1.2. Электроакустический метод контроля состояния изоляции трансформаторов и основанные на нем дефектоскопы 18
1.3. Современное состояние исследований электро-акустических свойств частичных разрядов с позиций построения устройств контроля 21
1.4. Постановка цели и обоснование задач исследования 26
2. Разработка устройства контроля состояния изоляции трансформаторов и исследование влияния особенностей возникновения частичных разрядов в изоляции на его выходной сигнал 29
2.1. Устройство контроля за состоянием изоляции трансформаторов 29
2.2. Коэффициент преобразования и погрешность акустического датчика устройства контроля 32
2.3. Модель частичных разрядов в изоляции трансформаторов и методика экспериментов 44
2.4. Зависимость сигналов электрического канала устройства контроля от типов изоляции и электродов 50
2.5. Зависимость выходного сигнала устройства контроля от крутизны фронта тока при час тичных разрядах 61
2.6. Влияние типа дефектов изоляции на выходной сигнал и чувствительность устройства контроля 65
2.7. Акустические помехи трансформаторов 76
3. Исследование влияния затухания акустических волн на выходной сигнал устройства контроля 82
3.1. Поглощение акустических сигналов в трансформаторном масле 83
3.2. Влияние сплошных электроизоляционных барьеров на выходной сигнал устройства 88
3.3. Влияние обмоток трансформатора на выходной сигнал устройства 97
3.4. Влияние стенок бака трансформатора на выходной сигнал устройства 106
4. Методы контроля состояния изоляции трансформаторов 116
4.1. Метод и алгоритм контроля состояния изоля ции трансформаторов 116
4.2.-. Определение акустической энергии частичных разрядов 120
4.3. Определение полной энергии частичных разрядов 122
4.4. Использование разработанного метода и устройства контроля для дефектоскопии изоляции трансформаторов 130
Заключение 136
Список использованных источников 139
Приложение
- Электроакустический метод контроля состояния изоляции трансформаторов и основанные на нем дефектоскопы
- Коэффициент преобразования и погрешность акустического датчика устройства контроля
- Влияние сплошных электроизоляционных барьеров на выходной сигнал устройства
- Определение акустической энергии частичных разрядов
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 г.г. и на период до 1990 года" / I / отмечается необходимость сосредоточения усилия ученых и специалистов на решении проблем повышения качества и надежности работы оборудования и изделий, что неразрывно связано с уровнем развития средств неразрушающего контроля и технической диагностики параметров и характеристик выпускаемых изделий в период эксплуатации и при профилактических испытаниях,
Огромная роль в развитии методов контроля принадлежит советским ученым Р.И.Янусу, Л.Г.Меркулову, С.Т.Назарову, А.С.Фальке-вичу, Н.С.Акулову, М.Н.№тазеву, С.В.1 умянцеву, С.Я.Соколову, Д.И.Агейкину, В.В.Елгоеву, В.Г.Герасимову, П.М.Сви, М,Е.Иеруса-лимову и многим другим.
Несмотря на наличие большого арсенала методов и приборов для объективной оценки качества изделий, нельзя рекомендовать только один метод неразрушающего контроля / 2-4 /.
Это относится и к такому дорогостоящему оборудованию подстанций, как высоковольтные трансформаторы, своевременная диагностика и достоверный контроль состояния изоляции которых при профилактических испытаниях предохраняет их от преждевременного выхода № строя и возникновения опасных аварийных ситуаций в энергосистеме.
Из экономических и технических соображений с ростом класса напряжения трансформаторов приходится снижать уровень их изоляции, что сопряжено с повышением средних и максимальных рабочих градиентов в изоляции и возрастанием роли рабочего напряжения.
Это, в свою очередь, в условиях эксплуатации увеличивает опасность появления в местах конструктивных и технологических дефектов изоляции частичных разрядов, являющихся потенциальным источником аварийных отключений трансформаторов / 5-12 /.
Так, по данным аварийной статистики около 30 процентов повреждения изоляции трансформаторов 110-500 кв вызываются именно ч.р. При этом длительность ликвидации аварий составляет десятки и сотни часов, а затраты на ремонт доходят до 50 процентов стоимости поврежденного трансформатора / 13 /. Все это требует проведения исследований, направленных на улучшение существующих и разработку совершенных методов, приборов и устройств для определения дефектов изоляции трансформаторов при их заводских испытаниях и в условиях эксплуатации.
В последнее время разработан и освоен ряд методов и устройств контроля за состоянием изоляции трансформаторов, основанных на измерении электрических импульсов ч.р. и анализе газов. Применяются и электроакустические способы - главным образом для геометрической локации ч.р. Оценка состояния изоляций трансформаторов с помощью существующих электроакустических методов и устройств невозможна из-за отсутствия данных по преобразо-ванию электрической энергии в акустическую при ч.р. и влиянию затухания акустических волн на выходной сигнал устройства контроля. Между тем, решение этих вопросов позволило бы эффективно использовать электроакустические устройства как более поме-хозащищенные, особенно для профилактического контроля изоляции высоковольтных трансформаторов в условиях эксплуатации, где электрические методы и устройства из-за большого уровня помех практически не могут быть применены в связи с изложенным решаемая в диссертационной работе задача разработка метода и устройства контроля состояния изоляции трансформаторов, основанная на электроакустических проявлениях ч.р. и позволяющая определять их энергию, является актуальной. Работа выполнена по плану НИР НИИЭиА Академии наук УзССР по проблеме 0.01.06 Госкомитета СССР по науке и технике и по хоздоговору 24-77 ТВН с РЭУ Свердловэнерго.
Основной целью работы является разработка метода и устройства контроля состояния изоляции трансформаторов. При этом ставились следующие задачи:
1. Разработка методики и установки для экспериментальных исследований электроакустических характеристик ч.р. в изоляции трансформаторов.
2. Исследование выходного сигнала устройства контроля, в зависимости от физических особенностей ч.р. и акустического сопротивления элементов трансформатора.
3. Оценка энергии ч.р. в изоляции трансформаторов по выходному сигналу электроакустического устройства контроля.
Материал диссертационной работы изложен в четырех разделах.
В первом разделе проанализированы методы и устройства контроля состояния изоляции трансформаторов, основанные на регистрации ч.р., показаны преимущества и недостатки известных дефектоскопов, основанных на электроакустических методах контроля изоляции. Здесь же оценено состояние исследований электроакустических свойств ч.р.
Во втором разделе описаны разработанное электроакустическое устройство контроля состояния изоляции трансформаторов и исполь II.
зеванный акустический датчик, дана оценка его чувствительности и погрешности. Приведены результаты исследований характеристик обекта и их влияния на выходной сигнал устройства контроля. Установлено влияние параметров ч.р. на величину энергии разряда. Показано существенное отличие крутизны фронта тока ч.р. в бумажно-масляной изоляции по сравнению с крутизной тока ч.р. в масле.
Третий раздел работы посвящен исследованиям затухания акустических волн при их распространении по маслу, сквозь электроизоляционные барьеры, обмотки и стенки бака трансформатора и анализу их влияния на выходной сигнал устройства контроля. Показано, что:
а) ослабление выходного сигнала устройства контроля и затухание акустических волн ч.р. в трансформаторном масле имеет место не только при увеличении расстояния от источника до точки приема, но и при росте частоты;
б) электроизоляционные барьеры, расположенные на пути распространения акустической волны, вносят затухание, причем, чем толще барьер, тем больше величина затухания и тем меньше выходной сигнал устройства контроля;
в) масляные каналы, имеющиеся в обмотках силовых трансформаторов, играют положительную роль в распространении акустических волн. При отношении площади каналов к общей площади более 10 процентов не замечено ослабление выходного сигнала за счет обмоток.
В четвертом разделе изложен предложенный метод и алгоритм контроля состояния изоляции трансформаторов. Приведена методика определения акустической энергии и энергии самих ч.р. Для удобства расчетов предложена номограмма. Показана возможность применения разработанного метода и устройства контроля в условиях эксплуатации трансформаторов.
В заключении сформулированы основные выводы.
В приложении приведены результаты машинного расчета выходного сигнала устройства контроля, паразитной емкости и материалы, отражающие внедрение результатов работы в производство.
На защиту выносится: метод контроля состояния изоляции трансформаторов, основанный на электроакустическом способе регистрации ч.р. и оценки их интенсивности на основании исследований параметров тока и видов ч.р., процессов связанных с преобразованием электрической энергии ч.р. в акустическую и затуханием сигналов при распространении их в среде трансформатора.
Научная новизна работы заключается в следующем. Разработан метод и алгоритм обнаружения повреждений в изоляции трансформаторов по выходному сигналу электроакустического устройства контроля. Исследованы ее функциональные возможности как на макетах трансформаторов, так и на отдельных трансформаторах действующих подстанций. При этом:
- исследованы амплитудно-частотные характеристики акустических сигналов ч.р. и помех в трансформаторах в условиях эксплуатации и определен оптимальный рабочий диапазон измерительных частот для электроакустических устройств контроля, находящийся в интервале 10-60 кіц;
- установлены закономерности преобразования электрической энергии ч.р. в акустическую и затухания акустических сигналов ч.р. при прохождении их через многокомпонентную среду трансформаторов;
- разработана методика оценки полной энергии ч.р. по выходному сигналу электроакустического устройства контроля.
Практическая ценность. Результаты исследований использованы при разработке приборов серий ДАВ для электроакустической дефектоскопии изоляции силовых трансформаторов. Разработанные Б НИИЭиА AS УзССР метод и устройство электроакустического контроля состояния изоляции трансформаторов использованы при профилактическом контроле силовых трансформаторов 220 и 500 кВ подстанций Минэнерго УзССР, Красноярскэнерго и Свердловэнерго. Фактический экономический эффект от этой работы только по Свердловэнерго составил 85,31 тысяч рублей.
Разработанная методика и номограмма для определения энергии ч.р. по выходному сигналу электроакустического устройства могут быть использованы службами изоляции и ремонтными заводами энергосистем при производстве профилактического и послеремонтного контроля качества трансформаторов.
Работа выполнена в научно-исследовательском институте энергетики и автоматики Академии наук УзССР.
Электроакустический метод контроля состояния изоляции трансформаторов и основанные на нем дефектоскопы
Электроакустический метод относится к группе комбинированных методов контроля за состоянием изоляции трансформаторов, Он основан на регистрации и сопоставлении электрических и акустических проявлений ч.р. в трансформаторах.
О возможности применения электроакустического метода для дефектоскопии силовых трансформаторов еще в 1952 г. сообшал Белди /61/. Б 1956 г. Андерсон опубликовая результаты своих исследований по обнаружению и локации разрядов в жидкости применительно к силовым трансформаторам /62/, используя электроакустический метод, основанный на разном времени распространения электрического и звукового от источника разряда к измерительному устройству. Для случая однородной среды он предложил определять при помощи геометрического способа триангуляции место возникновения разряда. Однако он рассмотрел только идеализированную задачу - обнаружение и локацию разрядов в масло-наполненном баке без выемной части и других элементов трансформатора.
Электроакустический метод контроля за состоянием изоляции силовых трансформаторов при испытании их напряжением промышленной частоты использовал и Вдовико В.П. /63/. Им были применены акустические датчики, выполненные в виде электродинамического микрофона и пьезоэлемента из сегнетовой соли, устанавливаемые на стенке бака с внешней стороны. Основной недостаток здесь состоит в неудачной конструкции датчиков. Электродинамический микрофон имел наибольшую чувствительность к шумам, хорошо распространяющимся по воздуху и по баку, а пьезоэлектрический датчик представлял из себя датчик вибраций, весьма чувствительный к вибрациям основания бака.
В принципе целесообразно помещение датчиков не снаружи, а Б самом баке в изоляционной жидкости. В этом случае исключается затухание, вносимое стенками бака трансформатора /20,63,64/. В этой связи представляет интерес работа /65/, в которой определены два возможных пути распространения звуковой волны в трансформаторе, что дало возможность легче расшифровать осциллограммы акустических сигналов.
На эффективность применения электроакустического метода при дефектоскопии изоляции высоковольтных трансформаторов указываетйя и Б /38,66-63/. При этом Б /66/ отмечается, что в последнее время данный метод был усовершенствован в направлении достижения большей чувствительности, локации очага повреждения и отстройки от мешающего влияния магнитопровода при испытании индуктированным напряжением,
Интерес представляет и работа /69/, в которой для измерения используется узкополосный приемник, работающий в основном в диапазоне частот 20-300 кГц. Достоинство работы - в исследовании спектра частот различных видов ч.р., которые могут быть применены для определения оптимальной частоты при электроакустическом методе. Автором показано также, что разные виды источников разряда имеют различные спектры и что характеристики пустот могут оцениваться приращением частоты между пиками в спектре частот. Но в то же время высказываются сомнения о возможности регистрации малоинтенсивных разрядов при значительном удалении их от стенок бака, а также глубоко скрытых ч.р. /70/.
В /71,72 /отмечается возможность определения с помощью электроакустических устройств начала и места ч.р. в трансформаторах, путем одновременной индикации акустического и электрического сигналов, создаваемых ч.р. В работе /72 /указывается на возможность, при благоприятных условиях, локации ч.р. с точностью 2-3 см, если интенсивность разрядов достаточно велика, а число источников незначительно. Здесь же отмечается преимущество записи сигналов на ленту. Это позволяет концентрировать внимание на полезных сигналах. Возможность повторного просмотра ленты позволяет детально изучить характер сигналов, что повышает надежность диагностики. Однако даже при растянутом времени трудно определить точный момент прихода сигнала к датчику, К тому же при непрерывных ч.р. невозможно записать характерные данные для других импульсов, помимо начального.
Интерес к электроакустическому способу регистрации и локации ч.р. как к одному из перспективных путей диагностики изоляции усиливается с каждым годом. Этот вопрос был обсужден на ряде сессий СИГРЭ. Так, в /72/ было рекомендовано для более точной локации геометрического места ч.р., особенно на длинных отводах и перемычках, вместе с электрическими методами применять и электроакустический. Здесь же содержатся конструктивные предложения по рациональныл способам установки акустических датчиков для приема звуковой волны от ч.р.
Таким образом, можно отметить, что многие авторы, проявляя большой интерес к электроакустичсккому методу и подтверждая его пригодность для контроля изоляции трансформаторов, выражают все же сомнения в его эффективности для выявления разрядов, происходящих внутри обмотки и за барьерами. К тому же ни одним из авторов не ставился конкретно вопрос определения энергии ч.р. в трансформаторах по выходному сигналу электроакустического устройства контроля.
Важное значение для успешного использования электроакустического метода в целях дефектоскопии изоляции высоковольтных трансформаторов приобретает изучение электроакустических свойств ч.р. Это обусловлено тем, что электроакустические свойства ч.р. и акустические характеристики среды трансформатора определяют уровень выходного сигнала устройства контроля, который является исходной информацией при оценке энергии ч.р. Однако эти вопросы недостаточно изучены применительно к высоковольтным трансформаторам с позиций построения устройств контроля за состоянием изоляции. В связи с этим проанализируем работы, связанные с исследованиями процессов в канале разряда и распространением акустических волн по среде трансформатора.
К одной из основных теоретических работ по изучению процессов, происходящих в канале разряда при превращении электричев -кой энергии в механическую, можно отнести исследования Драбки-ной / 73 /. Ею были получены зависимости между давлением на фронте, скоростью ударной волны и энергией, выделенной в процессе электрического разряда. Однако, хотя выкладки этой рабо ты и способствуют пониманию процессов, происходящих в канале разряда в масле, все же необходимо отметить, что они рассмотрены для случая разряда в идеальном газе. Исследованиями Роя и Фролова / 74 / были получены сведения об электроакустическом коэффициенте полезного действия разряда для различных условий, определяемых длиной искрового промежутка, величиной разряжаемой емкости и электрическим напряжением. Максимальный электроакустический к.п.д., равный 32 процентам, получен авторами ( при С = 0,1 мкФ, Up = 30 кВ, W = 45 Дж ) для длинноиск-ровых разрядов при L = 4 см. Однако эти результаты не могут быть использованы при анализе процессов, сопровождающих ч.р., - главным образом из-за того, что они характеризуют разряды больших энергий в условиях значительных межэлектродных расстояний.
К подобному классу работ относится и работа американских икженеров-механиков / 75 /, которые пришли к заключению, что переход энергии из электрической формы в акустическую при искровом разряде в воде происходит наиболее эффективно при увеличении межэлектродного расстояния. Для того, чтобы установить связь между акустической и электрической энергиями в канале разряда, особое значение имеет зависимость выходного сигналаустройства контроля от электрических характеристик импульса ч.р.которые определяются в основном параметрами разрядной цепи.Так, например, в работе по исследованию начальных стадий расширения канала искры в жидкости ( при С = 2,7 260 мкФ, lip = 20-40 кВ, L = 7 10 6-10"7 Генри), Скворцовым и Комельковым / 76 / установлено, что с увеличением крутизны тока максимум энергии, рассеиваемой в разряде, все более смещается в сторону первого полу
Коэффициент преобразования и погрешность акустического датчика устройства контроля
Чувствительность (коэффициент преобразования) и другие основные характеристики электроакустического устройства контроля изоляции трансформаторов во многом определяются характеристиками акустического датчика. Ниже рассматриваются конструктивные особенности и оцениваются значения коэффициента преобразования и анализируются погрешности сконструированного пьезоэлектрического датчика устройства контроля изоляции трансформаторов.
Для преобразования параметров механических колебаний и деформаций стенок бака в электрические сигналы находят применение большое количество принципов:(электродинамический, оми- „ ческии, емкостный, пьезоэлектрический / 95,96 /. Для этих целей в разработанном электроакустическом устройстве контроля нами использованы пьезоэлектрические датчики как наиболее простые, чувствительные и удобные в эксплуатации.
При конструировании акустического датчика особое внимание было обращено на надежность экранировки пьезоэлемента и соединительных проводов от воздействия внешних электрических помех, на надежность выполнения электрических контактов, а также на возможность осуществления надежного акустического контакта со стенкой бака.
В соответствии с этим был использован акустический датчик, применннный в / 79 /. В конструкцию датчика вносились некоторые изменения, имевшие целью снижение уровня помех. Пьезоэлектрические пластины были помещены в латунном корпусе I рис.2.2. Инерционный элемент 6 сверху прижат ю посеребренной поверхности одной пластины, а латунный поршень 2 снизу к поверхности другой. Пластины 3 создают токоотвод одной полярности. Латунная фольга, помещенная между пластинами, выполняет роль другого электрода. Таким образом, выводы пьезоэлементов соединены параллельно. Для уменьшения поперечных компонентов вибрации инерционный элемент через стальной шарик зажат металлической крышкой 10, ввинчивающейся в корпус.
Непосредственно в корпусе датчика для снижения влияния помех смонтирован потоковыи повторитель 9, сигналы с которого при помощи экранированного кабеля подаются на вход регистрирующего устройства.
Пьезоэлектрические пластины датчика выполнены из керамики цирконата титаната свинца марки ЦТС-ІЗ/1. Толщина пластины 0,9 мм, диаметр - 12 мм, ее пьезомодуль продольных колебаний d33= 28,3 10"П м/В , пьезомодуль радиальных колебаний d3i= 12,3 ТО"11 м/В , коэффициент электромеханической связи Кр= 0,45 , температура точки Кюри Тк = 330С Л$= 2,0 , 5 = 1100 / 97 /. Кроме высоких пьезоэлектрических свойств, керамика цирконата титаната свинца обладает устойчивостью физических свойств к различным внешним воздействиям, значитель ной стабильностью свойств во времени и широким рабочим температурным диапазоном.
Конструктивно датчик изготовлялся таким образом, чтобы его собственная частота находилась существенно выше рабочей полосы частот приемного устройства. Собственная частота рассчитывалась по формуле / 96 /
Расчеты показывают, что частота собственных колебаний датчика находится в области 120 кГц. По экспериментальным результатам частота собственных колебаний находится в диапазоне II5-I32 кГц.
При воздействии механической силы на концах пьезопластины появляются э.д.с, величина которой определяется пьезомодулем и величиной действующей силы. В / 97 / дается связь между э.д.с. пьезоэлемента и смещением инерционной системы в следующем виде:собственная электрическая емкость пьезоэлемента при отсутствии деформации, / Ф /;
Кр - коэффициент электромеханической СВЯЗИ , у - смещение в рассматриваемой точке / м /. Из этого выражения следует, что сигнал на выходе датчика пропорционален деформации.
. Рассмотрим связь электрического сигнала на выходе датчика с давлением акустических волн, воздействующих на стенку бака. Будем считать, что под воздействием силы акустических волн колебания стенки бака происходят по синусоидальному закону
Дифференциальное уравнение движения чувствительного элемента датчика запишется: Подставив Х2 и Х2 в уравнение (2.1), определим значение В . В1 Первый член этого решения представляет собственные колебания, второй - вынужденные колебания, происходящие н часколой движения ойенки нака. Амплитуда вынужденных колееаний чувствительного элемента определяится амплитудой и касеотой возмущения а оакже парамепрами датсикам
Коэффициент увеличения показывает, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний превышает статическое смещение, которое получилось бы при статическом приложении силы. Рассчитаем статическое смещение где tо определялось с помощью индикатора смещения типа ЛИЗ с ценой деления 0,001 мм/дел и равно Д0 - 0,15 Ю"4 / м /. Зная амплитуду вынужденных колебаний, можно определить колебательную скорость / 98,99 /
Рассчитаем коэффициент связи между давлением, воздействующим на датчик, и выходным сигналом устройства контроля.При давлении на датчик Р = 3,9 10 Н/м на его выходе появляется сигнал UВыл = І І5 мкВ. сюда коэффициент связи равен:где К 00 коэффициент преобразования, /jj/jjl/.
Правильность полученных результатов можно проверить на основании экспериментов, пользуясь формулой дая определения мощности при точечном источнике ч.р. / 100 / Запишем данное выражение применительно к нашим условиям
Влияние сплошных электроизоляционных барьеров на выходной сигнал устройства
Затухание акустических волн при их прохождении сквозь электроизоляционные барьеры подчиняется сложным закономерностям. В них, кроме продольных, могут распространяться еще и поперечные волны ( или волны сдвига). Кроме того, на характер возбужденных волн влияет ограниченный объем трансформатора. Так, например, в электроизоляционных барьерах значительных размеров вместо поперечных волн могут распространяться еще волны изгиба. При этом чисто поперечное движение совершают только частицы, лежащие в средней плоскости. Частицы же, лежащие вне ее испытывают также и продольные смещения. Чисто изгибные волны получаются только тогда, когда длина волны велика по сравнению с толщиной барьера 5 ; практически это условие можно считать выполненным уже при Х/Ъ = Ю / 118 /. Поэтому такие волны в силовых трансформаторах напряжением 220 кВ и выше возникают при всех толщинах барьера.
Рассмотрим прохождение акустической волны сквозь барьеры рис.3.3. Пусть на электроизоляционный барьер падает акустическая волна, амплитуду которой примем за единицу. Тогда ее давление может быть записано в следующем виде / 119 /:
Для отраженной волны:Для прошедшей волны:Здесь Кх и 1\2 - составляющие волнового вектора,акустической волны.
Коэффициент Ag и и2 можно определить , воспользовавшись граничными условиями, согласно которым на границах барьера и трансформаторного масла нормальные составляющие скорости в масле и в барьере равны.
Нормальные составляющие скорости в трансформаторном масле с двух сторон барьера можно определить на основании / 119 /, а для определения нормальных составляющих скорости движения барьера используем уравнение движения пластины при колебаниях изгиба / 120,121 /.Импеданс барьера, соответствующий изгибным колебаниям, может быть выражен где 60 - круговая частота колебаний, /Гц/;Сопротивление барьера поперечным колебаниям значительно больше, чем изгибным, так как длина волны акустических колебаний в измеряемом диапазоне на порядок превышает толщину барьера. В связи с этим условие, при котором фазовая скорость в падающей волне вдоль барьера совпадает со скоростью изгибных волн в барьере, определяется
Коэффициент затухания акустических волн в этом случае, если не учитывать поглощения в самом материале, доходит до минимального значения.
Проведем расчет коэффициента затухания, исходя из коэффициентов прохождения - D ft и отражения - А Для этого необходимо оценить угол совпадения.Известно, что скорость изгибных волн в бесконечно протяженной пластине толщиной d определяется выражением /121 /где L. - модуль Юнга , / кГ/м /;р - плотность барьера , / кГ/м3 /; fti - коэффициент Пуассона. Зная скорость распространения акустической волны в трансформаторном масле и и рассчитав скорость изгибных волн, мож 92.но определить угол совпадения. Он при f = 60 кГц оказывается приблизительно равным 30, Необходимо отметить, что, поскольку Ьц растет пропорционально корню квадратному из частоты, то начиная с некоторой граничной частоты при соответствующем угле падения волны, всегда могут возникнуть совпадения скоростей.
В этом случае имеем следующие коэффициенты отражения ипрохождения звука:то теоретически А ,Bj \I. Эти коэффициенты,, определенные расчетным путем, получаются равным А2 = 0,1540,2 и uz = 0,80 0,85.
На основании анализа отражения и прохождения акустических волн были проведены эксперименты с реальными барьерами.
Известно, что для мощных силовых трансформаторов в основном принята стержневая конструкция с концентрическим расположением обмоток в виде цилиндра. Обмотки высшего, среднего и низшего (ВН, СН, НН ) напряжения обладают примерно одинаковой высотой. Обмотка ВН обычно расподагается снаружи, а остальные
Определение акустической энергии частичных разрядов
Знание закономерностей превращения электрической энергии в акустическую и затухания акустических сигналов при их прохождении по маслу, сквозь электроизоляционные и другие барьеры позволит перейти к расчету акустической энергии ч.р.
Известно, что при точечном источнике ч.р. / 100 / акустическая энергия может быть определена следующим образом:где S - расстояние между точками повреждения изоляции и установки датчика, / м /; Р - давление акустических волн, / Ц/м /; р «Cn - акустическое сопротивление среды, / Н.с/м /; tg p - эффективное время разряда , / С / ; 7Т = 3,14.
Для перехода от давления акустических волн М к уровню выходного сигнала устройства контроля Ug воспользуемся коэффициентом преобразования, который определен нами в 2.2, Тогда акустическая мощность ч.р. с учетом выходного сигнала запишется так:
В 3.1 установлена зависимость выходного сигнала устройства контроля от расстояния в трансформаторном масле с учетом коэффициента поглощения в виде (3.3),
В соответствии с результатами 3.2 и 3.4 влияние электроизоляционных барьеров и стенок бака на выходной сигнал устройства контроля определяется следующими выражениями
С учетом общего коэффициента затухания выражение (3.3) можно записать какПодставляя выражение (4.4) в (4,2), можно получить формулу для определения акустической энергии по выходному сигналу регистрирующего устройства с учетом всех факторов, вызывающих затухание:
Для удобства, пользования этой формулой в условиях эксплуатации трансформаторов желательно располагать номограммами, которые позволяют по выходному сигналу электроакустического устройства контроля графическим путем достаточно быстро определять акустическую энергию ч.р. Для расчета значений выходного сигнала устройства контроля составлена программа / 123-125 / на языке HL 1, блок-схема которой приведена на рис.4.1, а ее листинг - в приложении ЇЇ.І. Программа использует операционную систему ОС MVT6.1 ЭВМ EC-I022. Расчет проводился на ЭВМ-1022, для различных значений расстояния от точки повреждения до приемника, толщин электроизоляционных барьеров и стенок бака, измерительных частот устройства контроля при изменении акустической энергии ч.р. от 10—4 до 10"8 Дж. .
Данная программа может быть положена в основу программного обеспечения при реализации алгоритма контроля состояния изоляции трансформаторов в автоматизированном режиме с использованием ЭВМ. Она удобна также для составления номограмм, при реализации алгоритма контроля в неавтоматизированном режиме (вручную). На рис.4.2 приведена одна из номограмл, составленная по результатам машинного расчета, которые приводятся в приложении П.1.
Переход от акустическоп энергии WQK ч.р. полной энергииWn осуществляется на основе данных об электроакустическом Едок-схема программы расчета энергии ч.р. по выходному сигналу устройства контроляк.п.д. ч.р.В 2.4 установлено, что электроакустический эффект ч.р. зависит от форш электродов, где они возникают / 90,91 /. Так, при Up = 7 кВ и увеличении емкости от 10 до I10OO пф для электродов "игла-игла" коэффициент К , пропорциональный электроакустическому к.п.д., уменьшался от 1,4-10 до 0,9-10 иВ/Ш.
Для оценки количественных изменений электроакустического к.п.д. яри различных условиях иззниеновения ч.ро были проводены эксперименты с одновременными измерениями акуслических электричпских характеристие чнр. При мтом полнаа энергия ч.р. определялась как Wn— и,0 кUP . На эсновании эБ акусти-оескогл канала ко номограмме рис.Н.2 определялась акустичес-кая онергия Wnv н Результаты опытов и расчетов для системы клектродов яигла-игла" привадено на рии.4.3 в виде ярафсков зависимооте" Wn , WflK , Ue . ы — IКак стедует из этих данных, 1 уменьшением заряда ч.р. при одном и сом же значении разрядносо напряжения большая частп энергии канала зерчходит в акустгческую. Так, для приведенногоэн риии4к3 диапазона измевения емкести от 0,7 ( значение П дляГ о , , , топ \) 0,7 пФ полученн расменным путкм) до 100 ПФ эзектрнакустичес - от о кии к.7.д. уменьшался от 21 до 8 процентов0 Еще лначительнее из-мейенип I от длины о искро8ого промежутка. за рит.4.4 при г ведены грайики зависимости электроокустического Н.п.д. от I „ ш „ „ для типичных электродов игла-игла и игла-плоскость при пос h тояннои энергии ч.р. Согласно их I можеа изменятьс" в диапа зоне 3-35 процентов.
