Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая концепция неразрушающего контроля диэлектрических материалов, находящихся под высоким напряжением 13
1.1 Основа применения частичных разрядов 13
1.2 Основные виды дефектов в высоковольтных изоляторах 21
1.3 Теоретические основы процессов электрического пробоя 25
Глава 2. Разработка измерительной системы для проведения измерений параметров частичных разрядов в изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов 39
2.1.Основные принципы устройств для регистрации ЧР в
высоковольтном оборудовании 39
2.2 Система для измерения и анализа ЧР в модельных образцах и реальных высоковольтных изоляторах 42
2.3 Измерительные датчики 47
2.3.1 Индукционный датчик 48
2.3.2 Электромагнитный датчик 50
2.3.3 Акустический датчик 50
2.4 Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР изоляторов 53
2.5 Программное обеспечение измерений 57
2.6 Характеристики частичных разрядов 61
Глава 3. Определение дефектов в реальных высоковольтных изоляторах путем анализа амплитудно-фазовых и амплитудно-частотных диаграмм частичных разрядов 67
3.1 Особенности конструкции фарфоровых опорных изоляторов 67
3.2 Изучение дефектов в реальных изоляторах 70
3.4 Зависимость параметров частичных разрядов от формы переменного напряжения 81
Глава 4. Особенности дефектов в полимерных материалах и их определение по параметрам частичных разрядов 85
4.1 Электрическая стойкость полимерных материалов и характер ЧР 85
4.2 Изучение параметров ЧР в высокополимерных изоляторах 92
Заключение 100
Список литературы
- Основные виды дефектов в высоковольтных изоляторах
- Система для измерения и анализа ЧР в модельных образцах и реальных высоковольтных изоляторах
- Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР изоляторов
- Изучение дефектов в реальных изоляторах
Введение к работе
Актуальность.
Надежность современных систем производства и распределения электроэнергии во многом зависит от диагностического контроля высоковольтного электрооборудования, основы которого заложены в ГОСТах 20.39.312-85 и 27.002-89 [1, 2]. Как показала практика [3-8] наиболее «слабым звеном» в высоковольтном оборудовании являются изолирующие элементы. Поэтому, не случайно, что методам и системам контроля электрической прочности изоляции всегда уделялось большое внимание. [9,10]
При длительной эксплуатации любых изоляционных материалов, являющихся одним из основных элементов высоковольтных изоляторов, изоляции кабелей или обмоток, в них возникают первичные дефекты. Помимо этого, дефекты могут образовываться и в процессе изготовления самих элементов высоковольтной изоляции. Полный пробой изоляционного промежутка, находящегося под рабочим напряжением, возникает не сразу. Ему, как правило, предшествуют микропробои или электрические разряды, которые шунтируют лишь часть изоляции между электродами. Такие электрические разряды или микропробои получили название частичных разрядов (ЧР). Сами по себе ЧР не всегда вызывают разрушение изоляции, однако, во всех случаях ЧР свидетельствуют о существовании или возникновении первичных дефектов в изоляции. Временной интервал от начала возникновения ЧР до полного пробоя изоляции или разрушения изолятора варьируется от нескольких дней до нескольких лет и поэтому предполагалось, что метод измерения характеристик ЧР, определяемый ГОСТом 20074-83 [11], и последующими ГОСТами для контроля отдельных элементов высоковольтной изоляции. [12,13], даст возможность обнаруживать дефекты на ранней стадии их возникновения, отслеживать их развитие, оценивать текущее состояние изоляции и возможность дальнейшей эксплуатации оборудования.
В соответствии с ГОСТом 20074-83 основной характеристикой ЧР является их интенсивность, которая количественно характеризуется: кажущимся зарядом единичного ЧР, частотой следования частичных разрядов, средним током ЧР. За двадцать лет после введения всех ГОСТов, в результате многочисленных исследований была установлена неполнота информации по ЧР, установленная ГОСТом. В частности, было показано, что важную информацию несет также форма импульса ЧР и время его появления относительно фазы переменного напряжения. [14-20] Однако, и в более расширенном варианте ГОСТа [12,13] предполагается изучение параметров каждого импульса, в то время как, сами ЧР имеют случайный (стохастический) храктер и все их параметры сильно изменяются во времени и имеют большой случайный разброс. Вследствие этих особенностей ЧР, как показали лабораторные исследования и применение метода ЧР в практических целях, для получения необходимой точности и достоверности измерения желательно накопление информации за определенный интервал периодов питающего переменного напряжения, а статистические характеристики ЧР желательно дополнять амплитудно-фазовыми и частотно-фазовыми распределениями, т.е. в виде зависимостей амплитуды (заряда) и частоты повторения от фазы напряжения. Кроме того, ГОСТ устанавливает метод измерения характеристик ЧР только на испытательном стенде и не касается методов измерения характеристик изоляции электрооборудования, находящегося в эксплуатации, т.е. под рабочим напряжением. Измерение сигналов ЧР в условиях эксплуатации является более сложным и трудоемким по сравнению со стендовыми измерениями. В первую очередь это касается выделения сигнала ЧР из различного рода помех, уровень которых на действующих электрических станциях и подстанциях значительно выше, чем при стендовых испытаниях. Кроме случайных помех, не имеющих каких-либо четких спектральных характеристик, на сигналы ЧР накладывается фон высокого переменного напряжения на основной частоте и гармонических составляющих. Большинство существующих на сегодня приборов для измерения ЧР не обеспечивают выделения необходимого уровня сигналов ЧР из помех, поэтому минимально регистрируемый уровень сигналов ЧР из сигналов помех, оказывается недостаточно большим и не обеспечивает надежного обнаружения дефектов изоляции в полевых условиях. ГОСТами [11,12] предусматривается в качестве метода измерения ЧР только электрический метод, при котором сигналы ЧР поступают на измерительную схему посредством связующего конденсатора. Использование одного метода регистрации ЧР ограничивает применение данного метода, например, при контроле рабочего состояния высоковольтных изоляторов на подстанциях, поскольку невозможно подобное подключение соединительного конденсатора. Кроме того, при электрическом методе регистрации делается невозможной точная локализация дефекта. Как показала практика последних лет, наиболее эффективно для регистрации параметров ЧР использование нескольких типов датчиков: акустического, индукционного, электромагнитного и электрического в зависимости от частотного интервала наиболее сильных помех и характеристик самих ЧР.
После отделения мешающих сигналов необходимо не только фиксировать параметры ЧР, но, и это самое главное, определять тип источника ЧР на уровне сегодняшних знаний о процессах и механизмах электрического пробоя в различных изоляционных материалах и изделиях. Идентификация типа источника ЧР по данным, полученным в реальных условиях эксплуатации, является пока не полностью разрешимой задачей. Точное решение этой проблемы возможно только для отдельного конкретного высоковольтного оборудования: высоковольтных опорных или проходных изоляторов, обмоток трансформаторов или машин и т.д. Причем, в каждом случае необходимо учитывать конструкцию и параметры конкретного оборудования, характеристики диэлектрического материала в сочетании с наиболее полными характеристиками самих частичных разрядов.
Состояние проблемы.
В настоящее время метод ЧР нашел реальное применение только для контроля дефектности изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов, изоляции электрических машин и изоляции высоковольтных кабелей, для которых, как правило, характерен только один вид электрического пробоя [20-24]. В то же время существующие методы контроля по ЧР не решают вопроса о контроле дефектов опорных и проходных высоковольтных изоляторов.
Сложный характер пробоя, изоляторов показывает, что для того, чтобы по частичным разрядам судить о таких параметрах, как величина дефектов, тип дефектов, состояние поверхности и т.д. необходимо в первую очередь идентифицировать частичные разряды, т.е. выделить их среди других видов пробоя, а также провести анализ основных характеристик частичных разрядов. Необходимость поиска критериев дефектного состояния изоляторов требует сохранения результатов измерений ЧР в пополняющуюся базу данных для постепенного накопления данных и выработки по ним теоретических моделей и статистических зависимостей. Выполнение всех этих задач немыслимо без применения компьютерной обработки данных. В связи с этим в области контроля состояния изоляторов существует практическая потребность в разработке эффективных информационно-измерительных систем измерения частичных разрядов и последующего анализа их характеристик.
С другой стороны, в последнее время возникла необходимость проверки рабочего состояния опорных и проходных изоляторов, находящихся в эксплуатации более установленного для них срока. В этом случае требуется, как указывается в указаниях РАО ЕЭС России, достаточно быстрая и конкретная оценка работоспособности на текущий момент. Таким образом, становится актуальной задача разработки достаточно простой и в тоже время достаточно точной методики и устройств для оценки работоспособности изоляторов.
В настоящее время в высоковольтном энергетическом оборудовании наряду с широко используемыми фарфоровыми изоляторами начали находить применение высоковольтные изоляторы, например, типа ЛК. Кроме этого, различные полимерные материалы, уже используются в широком классе высоковольтного оборудования: высоковольтная обмотка трансформаторов, кабелях, вводах и других устройствах с применением диэлектрических изолирующих материалах. Общеизвестно , что физико-химические свойства полимерных материалов резко отличаются от свойств поликристаллических и керамических материалов, к которым относится и фарфор. Поэтому весьма важной задачей является всестороннее изучение электрофизических параметров полимерных материалов в рабочих условиях, т.е. при воздействии на них высокого переменного напряжения.
Цель диссертационной работы -разработка способа и измерительной системы для контроля состояния высоковольтных изоляторов мониторинга параметров частичных разрядов.
Основные задачи.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
Провести теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах на их основе.
Разработать комплексный метод совместного детектирования сигналов ЧР с помощью акустического, индукционного и электромагнитного датчиков с последующим компьютерным анализом параметров сигналов ЧР.
Создать экспериментальную установку на основе метода совместного детектирования ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками, позволяющий определять такие параметры ЧР как заряд, длительность, начало возникновения импульсов в зависимости от амплитудного значения и фазы переменного напряжения; использовать ПК для накопления данных и их обработки.
Провести измерение параметров ЧР в реальных образцах высоковольтных изоляторов из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов, а также модельных образцах и изоляторах с различной степенью дефектности.
Определить оптимальный набор параметров ЧР, необходимых для определения места дефектов, их идентификации и влияния на работоспособность высоковольтных фарфоровых и полимерных изоляторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
На основе теоретического рассмотрения процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах обоснована необходимость применения комплексного метода детектирования ЧР в высоковольтных изоляторах с помощью одновременного использования акустических, индукционных и электромагнитных датчиков, с последующим накоплением и компьютерным анализом набора параметров ЧР.
Разработана и создана система для определения параметров частичных разрядов путем одновременного детектирования сигналов ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками с последующим компьютерным анализом в различных модельных образцах диэлектрических материалов и реальных опорных, подвесных и проходных высоковольтных изоляторах.
На основе экспериментального изучения дефектов в высоковольтных изоляторах типов ОСИ и ЛК показано, что по амплитудно-фазовым и частотно-фазовым характеристикам ЧР возможна оценка их работоспособности, как в данный момент времени, так и в дальнейшей эксплуатации с учетом вида и места дефекта.
4. Установлены основные закономерности возникновения частичных разрядов в изделиях из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов и их связи с видами дефектов,
Практическая значимость работы. Разработанный метод и измерительная система могут быть использованы для оценки состояния изолирующих элементов в высоковольтном оборудовании энергетических систем, и в первую очередь для опорных, проходных и подвесных высоковольтных изоляторов.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
Для оценки дефектности высоковольтных диэлектрических элементов предлагается использовать следующие усредненные по временному интервалу параметры частичных разрядов: интенсивность (кажущийся разряд); частота следования, в зависимости от фазы приложенного переменного напряжения; начало возникновения частичных разрядов в зависимости от амплитуды переменного напряжения, определенные с помощью нескольких способов детектирования ЧР.
Наиболее важные характеристики сигналов частичных разрядов, требуемые для определения параметров дефекта, перспективно представлять в виде двухмерных или трехмерных амплитудно-частотных фазовых диаграмм.
Для высоковольтных фарфоровых изоляторов наиболее распространенным является пробой по поверхности, а для высокополимериых изоляторов также пробой на дефектах внутри изоляторов.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения , четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы.
Во введении обосновывается выбор темы, ее актуальность и значимость, сформирована цель и задачи исследования, Далее приводятся основные научные и практические результаты, положения, выносимые на защиту. Дана структура и краткое содержание глав диссертации, сведения о публикациях и апробации работы.
В первой главе «Общая концепция неразрушающего контроля диэлектрических материалов, находящихся под высоким напряжением» раскрывается смысл и физические механизмы возникновения ЧР в диэлектрических материалах. Обосновываются методы использования частичных разрядов для обнаружения дефектов, а также для исследования процессов и механизмов электрического пробоя. Рассмотрены основные виды дефектов в фарфоровых и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах, изготовленных из этих материалов. Проанализированы процессы и механизмы электрического пробоя, и их связь с видами дефектов. Представлены эквивалентные электрические схемы, позволяющие описывать процессы ЧР в рамках резистивно-емкостных цепей.
Особое внимание обращено на современное состояние и применения метода частичных разрядов для контроля и диагностики высоковольтных изоляторов, используемых в энергетическом оборудовании. На этой основе сформулированы основные задачи по разработке наиболее эффективных способов детектирования ЧР и представления их основных характеристик в виде амплитудно-фазовых и амплитудно-частотных диаграмм.
Вторая глава «Разработка измерительной системы для проведения измерений параметров частичных разрядов в изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов» посвящена разработке и анализу устройств для регистрации частичных разрядов. Изложены основные особенности подобных устройств ряда фирм и экспериментальных стендов. Приведено функциональное и структурное описание разработанной измерительной системы. Описаны принципы работы разработанного программного обеспечения для отображения параметров ЧР в виде двухмерных амплитудно-фазовых и частотно-фазовых диаграмм. Рассмотрено одновременное использование двух акустических или акустического и индуктивного датчиков, подключенных к двум входам осциллографа для исключения различного рода помех и определения места предполагаемого дефекта. Описана методика выполнения измерений параметров ЧР на измерительной системе и возможность ее использования для проведения испытаний высоковольтных изоляторов различных типов в производственных условиях.
В третьей главе «Определение дефектов в реальных высоковольтных изоляторах путем анализа амплитудно-фазовых и амплитудно-частотных диаграмм частичных разрядов» представлены примеры использования разработанных методик для анализа параметров ЧР на реальных изоляторах , определенных измерительной системой. Основное внимание было обращено на изоляторы из электротехнического фарфора, как наиболее распространенных в высоковольтном энергетическом оборудовании. Были исследованы наиболее уязвимые с точки зрения возникновения дефектов узлы опорных и стержневых изоляторов. Исследовались изоляторы типа УСТ-110, как практически мало дефектные, так и содержащие различные виды дефектов. Путем детектирования ЧР разрядов с помощью совокупности акустических, индукционных и электромагнитных датчиков, были составлены амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы. Путем компьютерного анализа первичных характеристик затем были определены средние значения тех же параметров за фазовые периоды, которые послужили основой для определения не только места дефекта, но и состояния работоспособности каждого из изоляторов. Было изучено влияние перенапряжения и изменения формы переменного напряжения на параметры ЧР. В ходе исследований было установлено, что с ростом перенапряжения интенсивность и частота повторения ЧР нелинейно возрастают, что свидетельствует о возможности возникновения электрического пробоя.
В четвертой главе «Особенности дефектов в полимерных материалах и их определение по параметрам частичных разрядов» приведены результаты изучения дефектов в полимерных материалах и изоляторах путем анализа параметров частичных разрядов. На основе анализа типов дефектных состояний и сопоставлении их параметров дефектам в полимерных материалах, были разработаны методика измерения параметров ЧР на высокополимерных изоляторах типа ЛК В результате детектирования ЧР измерительной системой были установлены наиболее «слабые» места в реальных изоляторах и высокополимерных материалах, к которым относятся границы металлический электрод - полимерный стержень и области загрязнения или увлажнения на диэлектрических поверхностях изоляторов.
В заключение диссертации обобщены основные выводы по главам или по отдельным разделам глав.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» (г. Казань, 16-17 апреля 2004 г.); X Международной конференций «Физика диэлектриков (Диэлектрики - 2004)» (С-Петербург, 23-27 мая 2004 г); Т молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»(г. Казань, 27-28 апреля 2006г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 научных публикациях, включая: 2 журнальные статьи [95, 96], 1 статья в материалах международных конференций [77], 1 статья в материалах Всероссийской конференции [93], 1 статья в материалах Всероссийского конгресса [79], и 2 тезиса в материалах докладов научных и научно-технических конференций [78, 80].
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору КГЭУ Александру Вадимовичу Голенипдеву-Кутузову за научное руководство, ценные советы, практическую поддержку разработок и экспериментов, Аввакумову Максиму Вячеславовичу ведущему инженеру-электронику ОАО Казаньоргсинтез за практическую помощь и за полезные замечания при разработке электронных узлов.
Основные виды дефектов в высоковольтных изоляторах
Как уже отмечалось выше, частичные разряды чаще всего возникают в местах расположения макро и микроскопических дефектов. В высоковольтных изоляторах опорного, подвесного или проходного типов наиболее часто, как свидетельствует практика, такие дефекты имеют свои особенности. В общем виде изолятор можно представить, с этой точки зрения, как протяженный диэлектрический цилиндр с различной степенью ребристости, ограниченный с обоих концов металлическими электродами (рис. 1.1)
Для подобных видов изоляторов наибольшую опасность по степени образования дефектов представляют контакты металл - диэлектрик, поскольку на них возникают градиенты температур, влияет влажность и прочие внешние воздействия, такие как вибрация, механические напряжения и прочее. Помимо этих дефектов к первоначальным дефектам можно отнести поверхностные трещины, выбоины, переувлажненные или загрязненные участки поверхности. Такие виды поверхностных дефектов наиболее характерны для изоляторов из электротехнического фарфора. Поэтому наиболее часто ЧР в фарфоровых изоляторах возникают вдоль поверхностей. Эти виды дефектов являются предвестниками возможного поверхностного электрического пробоя. Вероятность возникновения поверхностного пробоя трудно предсказать, поскольку он является следствием ряда не связанных между собой факторов. И только по характеру ЧР можно более или менее точно определить возможность повреждения или даже разрушения изолятора за счет поверхностного электрического пробоя.
Для изоляторов из высокополимерных материалов помимо дефектов в контактах электроды - диэлектрик, наибольшую опасность представляют дефекты внутри полимерного материала в виде полостей микро и макро размеров, неоднородности в электропроводности, диэлектрической проницаемости или удельной плотности материала. Если в фарфоре поверхностные ЧР являются в основном только предвестниками электрического пробоя, то в полимерных материалах ЧР сами могут способствовать разрушению изолятора, поскольку при ЧР возникают напряженности на границах полости за счет повышения давления газа в полости [52-55]. Общая схема видов дефектов представлена на рис. 1.1. Обычно принято для расчетов использовать эквивалентную электрическую схему, описывающую дефект в виде совокупности последовательно и параллельно включенных резисторов и конденсаторов. Простейшие эквивалентные электрические схемы для дефектов в изоляторах также представлены на рис. 1.1.
В настоящее время наименее понятным является процесс генерации ЧР, и самого пробоя, когда разряд совершается по поверхности твердого диэлектрика (поверхностный пробой). В этом случае на разряд самое сильное влияние оказывает искажения электрического поля поверхностью диэлектрика, влияние адсорбированных на поверхности примесей и увлажнение поверхности диэлектрика. Возникновение отдельных областей или участков поверхности с измененным электросопротивлением приводит к перераспределению напряженности электрического поля. Увеличение неоднородности поля в определенном объеме диэлектрика приводит к уменьшению напряженности поля пробоя (Епр).
В сильном электрическом поле ионы диссоциации влаги перемещаются по поверхности диэлектрика, накапливаются вблизи электродов, искажают распределение поля и снижают порог пробоя. При длительном пребывании макроскопически неоднородных твердых диэлектриков во влажной атмосфере, влага проникает в толщу материала, что способствует увеличению диэлектрической проницаемости и электрической проводимости. Неоднородность структуры материала и обусловленная этим неоднородность влагосодержания приводит к образованию локальных мест с повышенной напряженностью поля. Различие в порогах пробоя для увлажненного и сухого изоляторов тем больше, чем однороднее было исходное поле и чем дольше диэлектрик увлажнялся.
Напряжение пробоя Unp вдоль поверхности изолятора (рис. 1.2) также зависит от подпитки развивающегося разряда через емкость изолятора. В силу проявления указанных эффектов напряжение пробоя вдоль поверхности изолятора, обозначающееся как напряжение перекрытия Uмр , определяется совокупностью многих факторов: характером контакта электродов с изолятором, размером и формой поверхности изолятора, положением поверхности относительно силовых линий электрического поля, свойствами диэлектрика и окружающей среды, параметрами воздействующего напряжения и т.д. [6].
Система для измерения и анализа ЧР в модельных образцах и реальных высоковольтных изоляторах
На основе разработанного метода компьютерной регистрации характеристик ЧР [65 - 69] был создай универсальная измерительная система для исследования ЧР в модельных образцах диэлектриков, а также изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерньгх материалов [75]. Эти материалы являются одним из основных материалов, из которых изготавливается широкий спектр изоляторов опорного и проходного типа. Решение проблемы неразрушающей диагностики состояния изоляторов на различных электроэнергетических объектах и оборудовании в настоящее время является определяющим для повышения их надежности. Стендовые исследования в данной области позволят определить основные параметры ЧР электротехнического фарфора и высокополимерных материалов и сформировать теоретическую и экспериментальную базу для контроля изоляторов из фарфора и высоко полимерных материалов в рабочих установках.
Устройство разработанной системы и его возможности имеют общие принципы построения со стендами и системами, описанными в статьях [63, 64].
Данная система состоит из следующих элементов и устройств: - Установка контроля и диагностики диэлектриков УКД-70, состоящая из пульта управления и высоковольтного генератора позволяющего плавно изменять подаваемое напряжение переменного тока частотой 50Гц на диагностируемый изолятор в диапазоне от 0 до 50кВ(действующее значение). - Цифровой осциллограф марки TDS1002, выполняющий функцию непосредственного отображения усиленного сигнала с индукционного, акустических датчиков, амплитудно-частотной характеристики. - Индукционный датчик и операционный усилитель, установленные в одну головку. Операционный усилитель экранирован фольгой на общий провод. - Акустические датчики в количестве двух экземпляров и активная антенна - Блок регистрации сбора и обработки характеристик ЧР (РЧР) подключенный к персональному компьютеру. - Система электродов. Первый крепится на один из концов изолятора, второй крепится к середине или второму концу испытуемого изолятора.
В схеме рис.2.1 источником высокого напряжения является высоковольтный трансформатор ВТ и повышающий автотрансформатор AT. Численное значение подаваемого питающего напряжения контролируется измерительным вольтметром ИВ. Автоматический выключатель АВ предназначен для защиты от токовых перегрузок, Измерительная система позволяет проводить исследования пробоя модельных образцов при различных значениях питающего напряжения в диапазоне 0-70кВ. (амплитудное значение)
Измерительный тракт системы составляют: индукционный датчик и акустические датчики, регистрирующие вызванные ЧР импульсы тока в цепи разрядной ячейки; устройство амплитуд но-фазовой регистрации ЧР, выполненное авторами для неразрушающего контроля состояния изоляции РЧР [67] и персональный компьютер, осуществляющий управление процессом измерения, отображением и архивацией данных о ЧР.
На расстояние L на диэлектрической штанге к испытуемому изолятору подводятся датчики, сигналы от которых поступают на блок регистрации параметров частичных разрядов РЧР или цифровой осциллограф. Внешний вид измерительной системы представлен на рис. 2.2.
Измерения проводятся следующим образом. Система включается в сеть переменного напряжения -220В, 50Гц. Далее на панели управления установки УКД-70 автоматический выключатель приводится в рабочее состояние. Выбирается тип подаваемого напряжения, в нашем случае оно переменное. Далее по измерительному вольтметру и измерительному миллиамперметру (он служит для контроля тока пробоя) при помощи автотрансформатора устанавливается требуемое значение питающего напряжения. На осциллографе наблюдается сигнал с датчиков. Далее наблюдая за сигналом на дисплее осциллографа, подбираем оптимальное расстояние L от изолятора до самого датчика. Амплитуда сигнала ЧР с ИД или АД (акустический датчик) должна находиться в пределах от 100 до 200 мВ. Это необходимо для обеспечения нормальной работы установки регистрации параметров ЧР РЧР, а также этим будет обеспечена наиболее оптимальная регистрация параметров ЧР. Изначально при подаче высокого напряжения на исследуемый изолятор ИД (АД) должен находится на максимально большом расстоянии (не менее 0,5 м), далее, когда подано высокое напряжение на изолятор, к нему подносится ИД (АД), необходимое расстояние определяется по отображенному сигналу на дисплее осциллографа, как уже описывалось выше. На персональном компьютере уже должна быть запущена программа управления измерением PDStore, разработанная для измерительной системы. Затем устройство РЧР приводится в состояние ожидания команд от ПК.
Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР изоляторов
С учетом общих требований к системам измерения ЧР и проблематикой измерения сигналов ЧР опорно-стержневых изоляторов, была использована система компьютерной регистрации характеристик ЧР РЧР разработанная Аввакумовым MB. [67, 68].
Система измерения ЧР сочетает в себе все достоинства современных многоканальных анализаторов [61, 62], а именно: прямое детектирование АФХ ЧР, фильтрация помех на аппаратном уровне, возможность построения амплитудных характеристик в режиме реального времени, возможность проведения длительных измерений в целях мониторинга состояния изолятора или испытуемой модели, простота построения и низкая стоимость системы. Вместе с тем, в разработанной системе измерения устранены многие недостатки методов, базирующихся на многоканальных и стохастических анализаторах: фиксируются все импульсы ЧР, поступающие на датчик без подавления ЧР некоторых типов; простота схемотехнического исполнения, основанная на интегрировании многих операций в микроконтроллере; простотой и универсальный интерфейс передачи данных в персональный компьютер.
Структурная схема системы измерения ЧР изображена на рис.2.4. Поскольку большая часть измерений была выполнена с помощью индукционного датчика, то далее будет описана процедура измерений именно с помощью индукционного датчика.
Итак, сигналы частичных разрядов регистрируются индукционным датчиком ИД, преобразуются в регистраторе частичных разрядов РЧР по принципу амплитудно-фазового детектирования а затем, по интерфейсу RS-232 поступают в персональный компьютер ПК. Процесс регистрации характеристик ЧР контролируется с помощью внешних устройств ВУ. Характеристики ЧР отображаются на мониторе М.
Система измерения использует принцип фазового детектирования ЧР -PRPDA (Phase Resolved Partial Discharge Analysis) [60, 61, 62]. Этот метод позволяет поставить в соответствие два основных параметра ЧР - амплитуду и количество импульсов за интервал времени фазовому положению импульсов относительно синусоиды питающего напряжения. Принцип аналого-цифрового преобразования, основанный на методе фазового детектирования, заключается в следующем. Измерение параметров ЧР осуществляется синхронно с формой питающего напряжения - аналого-цифровое преобразование данных производится в течение периода напряжения сети Щ, т.е. промежутка времени между двумя последующими изменениями полярности Uo с отрицательной на положительную. Период питающего напряжения разбивается на 400 одинаковых фазовых интервалов. Величина одного интервала составляет Аср=0,9, а его длительность Лг=0,05мс. Квантование, или дискретизация по уровню осуществляется при помощи задания опорной амплитуды Uref в течение каждого периода Щ. В течение каждого фазового интервала подсчитывается количество ЧР опорной амплитуды (рис.2.5). Затем величина Ure/увеличивается на величину шага квантования &Uref и в течение следующего периода измерения повторяются. Диапазон опорных амплитуд варьируется в пределах количества циклов синусоиды высокого напряжения Uref= If +AUrefN, (2.2) где Ifref- нижняя граница диапазона амплитуд.
Таким образом, полученные данные имеют формат двухмерного массива data (pulse, phase), где аргумент pulse - амплитуда ЧР, a phase -номер фазового промежутка синусоиды питающего напряжения. Значение массива data - количество импульсов ЧР. / ,,/ U"n
Поскольку сигналы, поступающие от индуктивного датчика, являются наложением сигналов ЧР и фазового напряжения, то сигналы ЧР отфильтровываются от сетевого напряжения в блоке регистратора, а затем усиливается, детектируется и запоминается. Для последующего анализа данные передаются из регистратора РЧР в персональный компьютер.
Метод регистрации ЧР предусматривает работу в двух режимах. Первый режим предназначен для проведения экспериментальных исследований характеристик ЧР при пробое газовых промежутков в системе электродов стержень-плоскость модельных диэлектрических образцов. Измерения проводятся под управлением персонального компьютера, который задает диапазон опорных амплитуд, т.е. параметры 1?гф Д/,.е/ и N. После принятия команд от компьютера устройство РЧР начинает фазовое детектирование ЧР и запись данных в память микроконтроллера. По окончании каждого периода питающего напряжения данные передаются на ПК. Таким образом, в компьютер передается весь массив data (pulse,phase). Подобная организация процессов обмена данными при измерении ЧР обеспечивает высокую производительность системы при исследовании пробойных процессов в модельных образцах, позволяя быстро получать АФХ с графическим представлением полученных и обработанных данных о ЧР. Кроме того, этот режим позволяет эффективно контролировать состояние изоляторов в эксплуатации.
Во втором режиме измерение АФХ проводится единожды, т.е. при единственной опорной амплитуде Uref. Массив данных, состоящих из 400 значений, сохраняется в электрически программируемой памяти в блоке РЧР. Сохраненные данные через произвольный промежуток времени вводятся в компьютер, где и анализируются. Этот режим может быть использован для оперативной диагностики состояния изоляторов, когда использование ПК по каким-либо причинам затруднено. В этом случае устройство РЧР используется как самостоятельный регистрирующий прибор, который совместно с индукционным датчиком позволяет записывать единичную АФХ в память для последующей передачи в компьютер. Кроме того, гибкая структура устройства РЧР позволяет ввести режим сигнализации состояния изолятора по снятой АФХ для быстрой диагностики дефектных состояний. Критерий опасности ЧР в изоляторе, а также критические опорные уровни амплитуд ЧР, характерные для данного изолятора при данных условиях определяются на этапе сбора и обработки статистических характеристик ЧР при работе в первом режиме.
Изучение дефектов в реальных изоляторах
Было изучено влияние поверхностных и внутриобъемных дефектов на электрофизические процессы, приводящие к разрушению изоляторов и возможности их контроля по параметрам ЧР. Исследования проводились на опорных изоляторах УСТ-ПО. Один из них (№1) не имел каких-либо крупных дефектов и считался вполне работоспособным. Изолятор №2 имел электрический пробой по всей поверхности между электродами в виде шнура; изолятор №3 имел скол вблизи опорного (нижнего) электрода. Эти изоляторы ранее использовались на ТЭЦ-3 и предварительные сведения о степени их дефектности были получены от службы надежности ТЭЦ.
Изоляторы типа УСТ-110 рассчитаны на длительную работу при подаче на каждый из них напряжения 70-80кВ. Поэтому при первом способе для изучения дефектов путем измерения ЧР электрическое напряжение прикладывалось между установочным (верхним или нижним) и дополнительным электродом кругового типа. Дополнительный электрод был выполнен в виде разъемного кольца и мог располагаться между определенными ребрами изолятора. Таким способом можно было создавать избыточное напряжение по отношению к номинальному на различных отрезках изолятора. Таким образом, можно было, проводить испытания между серединой изолятора и одним из электродов (фланцев) - верхним или нижним.
Ниже приведены результаты подробного анализа параметров ЧР для опорных высоковольтных изоляторов типа УСТ-110, имевших те или иные дефекты. Эти результаты важны с точки зрения применимости разработанной нами методики для оперативного контроля рабочего состояния изоляторов, находящихся под стандартной нагрузкой. На рис.3.2 и 3.3 представлены первичные амплиту дно-фазовые характеристики ЧР на образцах 1 и 3, нормированные к одному фазовому периоду, разбитому на 20 временных интервалов, каждый из которых соответствует интервалу 18 при подаче на образцы одинакового напряжения. Амплитудно-частотный спектр ЧР для образца 1, измеренный с помощью акустического датчика, представлен на рис.3.4. Тот же спектр, измеренный индукционным датчиком, качественно совпадает с приведенным на рис.3.4.
Путем компьютерного анализа первичных характеристик ЧР были определены средние значения амплитуды и числа импульсов ЧР для каждого из временных интервалов фазового периода. Эти характеристики для совокупности 200 периодов для образцов 1 и 3 приведены на рис.3.5, 3.6. Анализ этих графиков показывает, что максимальные значения амплитуды находятся в одних и тех же временных (т.е. фазных) интервалах. Максимумы в интервалах 4-6 и 14-16 относятся к сигналам короны и соответствуют максимальным значениям амплитуд переменного напряжения в положительной и отрицательной фазах.
В тоже время максимумы в интервалах 1-3, 7-9; 11-13 и 17-19 соответствуют сигналам ЧР от дефектов. Достоверность разделения сигналов от дефектов и короны подтверждаются различием формы частичных разрядов, поскольку сигналы короны имеют относительно длинный формат, отрицательную полярность основного сигнала и положительную полярность предимпульса. Кроме того, в отличие от импульсов ЧР, положение сигнала короны на фазовом пространстве не меняется при изменении напряжения на изоляторе, и в тоже время сигналы ЧР перемещаются в фазовом пространстве от максимума амплитуды переменного напряжения к более низким значениям с ростом переменного напряжения на изоляторе. Такой же сдвиг в положении максимумов и числа ЧР в фазовом пространстве наблюдается и при переходе от малодефектного образца к более дефектным образцам. Следует отметить, что ЧР наблюдались, как в растущий так и в спадающих фазах переменного напряжения. Возникновение ЧР в спадающих фазах переменного напряжения связано с задержкой возникновения ЧР, вследствие длительного времени пробоя воздушного промежутка, которое возрастает с его длиной.
Данные по параметрам частичных разрядов для трех исследуемых изоляторов, полученные на основе анализа амплитудно-временных фазовых характеристик, приведены в таблицах 3.1 и 3.2
