Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы контроля состояния полимерной изоляции по характеристикам ЧР 14
1.1 Основные характеристики процессов и механизмов старения и разрушения полимерных материалов и методы их контроля 14
1.2 Методы и приборы бесконтактного контроля высоковольтного энергетического оборудования 23
Глава 2. Разработка информационно-измерительной системы получения характеристик ЧР в высоковольтных полимерных изоляторах 34
2.1 Общая функциональная схема системы 34
2.2 Измерительные датчики
2.2.1 Электромагнитный датчик 39
2.2.2 Контактный датчик
2.3 Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР высоковольтных изоляторов 43
2.4 Программное обеспечение измерений 46
2.4.2 Программа записи исходного массива данных 46
2.4.2 Программа обработки данных 48
Глава 3. Методика проведения измерений и влияние шумов на результат измерения 56
3.1 Методические аспекты проведения измерений 56
3.2 Тестирование помех в системе измерения ЧР 60
Глава 4. Особенности разработанной методики измерения ЧР и результаты ее применения для изучения дефектов в полимерных изоляторах 66
4.1 Электрофизические характеристики исследованных ПИ 66
4.2 Сравнение различных методов измерения параметров ЧР 68
4.2.1 Сравнение метода оценки спектрального состава отдельных импульсов ЧР и стохастического подхода
4.2.2 Контактный и электромагнитный методы 77
4.3 Применение разработанных методик для изучения характеристик ЧР в условно бездефектных полимерных изоляторах 81
4.4 Применение разработанных методик для изучения характеристик ЧР в дефектных полимерных изоляторах 85
4.5 Временные характеристики ЧР в полимерных изоляторах 90
Заключение 94
Список литературы
- Методы и приборы бесконтактного контроля высоковольтного энергетического оборудования
- Программа записи исходного массива данных
- Тестирование помех в системе измерения ЧР
- Сравнение метода оценки спектрального состава отдельных импульсов ЧР и стохастического подхода
Введение к работе
Актуальность темы. Разнообразные полимерные материалы в наши дни нашли, как в России, так и за рубежом, широкое применение в электроэнергетике: изоляция кабелей, обмоток трансформаторов и электромашин, опорные, подвесные и проходные изоляторы. В процессе эксплуатации вследствие длительного воздействия рабочего напряжения в сочетании с определенными факторами окружающей среды (солнечная радиация, температура, влажность, загрязнение поверхностей, механические напряжения и т.д.) снижается электрическая прочность изоляции, что в конечном итоге может привести к возникновению дефектов, которые для полимеров чаще всего имеют вид древовидных каналов-дендритов. В конечном итоге такой процесс может привести к частичному или полному разрушению изолирующих материалов.
Зарождение дефектов сопровождается нарушением сплошности материала и характеризуется электрическими (частичные разряды), акустическими, тепловыми и оптическими эффектами, что позволяет с помощью различных физических методов регистрировать начальную фазу зарождения дефектов. Особенно важным моментом является изучение характеристик частичных разрядов (ЧР), поскольку в полимерах, в отличие от других типов диэлектриков, дальнейший рост дефектов происходит под действием ЧР на каналы дендритов. Таким образом, рост дендритов и параметры ЧР (интенсивность, частота повторения) являются взаимосвязанными процессами, приводящими в конечном итоге к пробою изоляции вследствие перекрытия межэлектродного промежутка дендритом.
Как показали предыдущие теоретические и экспериментальные исследования процессов электрического пробоя высоковольтных изделий, для полимерных материалов можно условно представить несколько видов пробоев, наиболее характерных для всех типов оборудования (изоляторов, кабелей, обмоток).
Пробой вдоль границ раздела двух разных диэлектриков - например, вдоль границ полимер - газ (поверхностной пробой) или границы стержень - оболочка для высоковольтных изоляторов.
Пробой вдоль границы электрод - диэлектрик. Для кабелей это соответствует пробоям: токопроводящая жила - диэлектрик -металлический экран; для изоляторов: металлическая арматура (оконцеватель) - диэлектрик.
Пробой в объеме диэлектрика через малые каверны, неоднородности структуры.
Среди реальных изолирующих элементов, используемых в высоковольтной энергетике, наиболее исследованы особенности полиэтиленовой изоляции кабелей, трансформаторов и электромашин, а наименее изученными являются изоляторы на основе композиционных полимерных материалов, в дальнейшем полимерные изоляторы (ПИ), хотя они представляют новое поколение опорных, подвесных и проходных изоляторов.
Причиной этому является использование в ПИ нескольких видов материалов с различными физико-химическими свойствами и усложненностью конструкции по сравнению с ранее применяемыми фарфоровыми и стеклянными изоляторами.
В настоящее время отсутствует общепризнанная методика по оценке работоспособности ПИ. Наиболее сложным моментом в контроле рабочего состояния ПИ является оценка остаточного ресурса по электрической и механической прочности. Для этих целей наиболее перспективным признан метод анализа параметров ЧР, в который входят интенсивность (кажущийся заряд), частота следования, спектральный состав сигналов ЧР (ГОСТ 20074-83 и ГОСТ 24427-87). Однако использование результатов подобного анализа отдельных сигналов ЧР без привязки к фазе сети не дает достаточно достоверных результатов по оценке рабочего состояния и остаточного ресурса изоляторов. Причиной тому является стохастический (случайный) характер самих ЧР, т.е. параметры сильно изменяются во времени и не коррелируют между собой. Поэтому наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов, а средние значения параметров ЧР и формы их распределений по амплитуде, а также частоты повторения в определенные фазовые интервалы приложенного напряжения.
В связи с вышеизложенным является весьма актуальной разработка нового метода и системы измерения набора параметров ЧР, с привязкой к фазе напряжения и времени измерения, позволяющих более эффективно выполнять оперативный контроль полимерных изоляторов в режиме эксплуатации.
Объектом исследования являются частичные разряды, возникающие в высоковольтных полимерных изоляторах, находящихся под рабочим напряжением.
Предмет исследования: объемные и поверхностные дефекты, возникающие в ходе эксплуатации полимерных изоляторов, в виде треков и дендритов, и их влияние на работоспособность.
Цель исследования. Разработка способа и автоматизированной системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по временным амплитудно-фазовым и частотно-фазовым характеристикам частичных разрядов.
Задачи исследования:
1. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа
оперативного контроля полимерных материалов по характеристикам частичных
разрядов (ЧР).
2. Разработка способа измерения интенсивности и числа ЧР в
определенные фазовые интервалы приложенного напряжения и времени
воздействия (соответственно амплитудно-фазовые и частотно фазовые
характеристики) с помощью бесконтактных электромагнитных и контактных
электрических датчиков.
3. Разработка алгоритмов компьютерной обработки аналоговых сигналов
ЧР от датчиков, представление их в форме амплитудно-фазовых (АФХ) и
частотно-фазовых (ЧФХ) характеристик.
4. Разработка метода определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР
при бесконтактном электромагнитном методе детектировании.
5. Проведение экспериментальных измерений характеристик ЧР и
построение АФХ и ЧФХ для образцов полимерных высоковольтных
изоляторов с различной степенью дефектности.
6. Определение необходимого набора параметров ЧР для эффективного
оперативного контроля высоковольтных опорных и подвесных полимерных
изоляторов.
Методы исследования. При проведении работы использовались теоретические и экспериментальные методы изучения кинетики электрического разрушения полимеров, численные методы компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на оригинальной установке с использованием современной измерительной аппаратуры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе анализа процессов старения и разрушения полимерных
материалов и методов их контроля обоснован способ идентификации дефектов
в ПИ по характеристикам ЧР.
2. Разработана и создана система одновременного измерения
характеристик ЧР с помощью электромагнитных и электрических датчиков, с
привязкой к фазе напряжения.
3. Разработан алгоритм обработки сигналов ЧР и представления их в
форме амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик.
4. Разработан способ определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР
при бесконтактном электромагнитном детектировании.
5. Использование разработанной системы оперативного контроля в
экспериментальных исследованиях на ряде полимерных изоляторов с
различной степенью дефектности позволило установить критерии по
выявлению дефектов и степени их влияния на дальнейшую работоспособность
полимерных изоляторов.
Практическая значимость. Разработанный способ и созданная измерительная система пригодны для использования при оперативном контроле высоковольтных полимерных изоляторов непосредственно в местах эксплуатации без отключения рабочего напряжения, а также при стендовых испытаниях изоляторов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Разработанный способ измерения характеристик ЧР с помощью
бесконтактного электромагнитного и контактного электрического датчиков и
способ их представления в форме амплитудно-фазовых и частотно-фазовых
диаграмм.
2. Методика определения интенсивности (нКл) ЧР при электромагнитном
методе детектирования ЧР.
Разработанный пакет вычислительных программ для обеспечения измерений характеристик ЧР, их накопления и анализа.
Необходимый для оперативного контроля набор параметров ЧР включает в себя максимальное значение заряда и число ЧР, начало
возникновения ЧР в зависимости от фазы приложенного напряжения, за определенный временной интервал измерения (порядка нескольких секунд).
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов
обеспечивается применением известных положений фундаментальных наук, серией проведенных лабораторных экспериментов на разработанной системе, повторяемостью экспериментальных результатов, совпадением практических данных исследований с результатами исследований известных авторов, а также корреляцией результатов, полученных с помощью различных типов датчиков ЧР.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XX научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках» (Казань, 2008); XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009); IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009); XIV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (Санкт-Петербург, 2010); XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011).
Реализация результатов работы. Результаты исследований по мере их получения внедрялись в научно-исследовательской работе по договору с ОАО «Сетевая компания Казанские электрические сети» (№2010/Д253/482 от 02.08.2010).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 научных публикациях, включая 3 статьи в ведущих научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, 3 материала доклада международных и всероссийской научных конференций.
Личный вклад автора работы. Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии автора работы. При создании системы оперативного контроля автор принимал участие в формировании идей, разработке методики, проведении экспериментов, обсуждении и обработке экспериментальных данных, написании статей и представлении докладов на конференциях. Части системы оперативного контроля и программное обеспечение проведения измерений разработаны непосредственно автором.
Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Представленные в ней результаты соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами», п. 6 «Разработка
алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка. Библиографический список включает 50 наименований и 6 наименований работ автора, опубликованных по теме диссертации.
Методы и приборы бесконтактного контроля высоковольтного энергетического оборудования
Наименее исследованы процессы скользящего разряда на поверхности изоляторов, что объясняется одновременным воздействием, в основном, трех факторов: искажением поля за счет различия диэлектрических характеристик окружающей среды и твердого тела; влиянием абсорбированных веществ, содержащихся в диэлектрике и в атмосфере, подпиткой развивающегося канала через емкость изолятора.
Среди реальных изолирующих элементов, используемых в высоковольтной энергетике, наиболее исследованы особенности полиэтиленовой изоляции кабелей, трансформаторов и электромашин, а наименее изученными являются изоляторы на основе композиционных полимерных материалов, в дальнейшем полимерные изоляторы (ПИ). Хотя они представляют новые поколения опорных, подвесных и проходных изоляторов. Причиной этому является использование в ПИ нескольких видов материалов с различными физико-химическими свойствами и усложненностью конструкции по сравнению с ранее применяемыми фарфоровыми изоляторами. Основой конструкции ПИ являются стеклопластиковая труба (или стержень), выполняющая функцию грузонесущего и изолирующего элемента; оребренная защитная оболочка, предохраняющая стеклопластик от внешних воздействий и формирующая необходимую длину утечки; металлические оконцеватели. Электрическая прочность анизотропного стеклопластика в основном определяется физико-химическими свойствами эпоксидных смол, как связывающего материала. Данные по характеристикам пробоя для стеклопластиковых труб и стержней различаются и они немногочисленны [2,3,34]. В трубах возможно проникновение влаги внутрь, что может приводить к пробою по внутренней поверхности трубы. Защитные оболочки изготавливаются на основе кремнийорганической резины (силиконовый каучук). Они состоят из отдельных ребер, герметически соединенных между собой и другими элементами посредством силиконовых компаундов.
Наиболее уязвимыми местами ПИ являются: поверхностный пробой (перекрытие) вдоль внешней поверхности оболочки, вследствие ее загрязненности и увлажнения, эрозии и других повреждений; пробой вдоль границы раздела стержня (трубы) и оболочки, вследствие образования дендритов на соприкасающихся поверхностях, что является следствием плохой адгезии оболочки; пробой по границе раздела металлической арматуры и оболочки, вследствие недостаточной герметичности или разрыва оболочки.
С учетом результатов ранее выполненных исследований наиболее объективными и достоверными дистанционными методами контроля рабочего состояния ПИ, находящихся в эксплуатации считаются [9,35], тепловизионная (инфракрасная) дефектоскопия (измерение локальных температурных градиентов), электромагнитная и акустическая дефектоскопия (измерение параметров ЧР).
Каждый их этих методов имеет определенные достоинства (тепловизионный и акустический способы позволяют с достаточной точностью до нескольких сантиметров определять место дефекта, а электромагнитный способ - определять степень повреждения изоляторов) и недостатки (понижение чувствительности тепловизоров и ультразвуковых дефектоскопов за счет солнечной засветки, промышленных шумов и электромагнитных полей).
В настоящее время отсутствует общепризнанная методика по оценке работоспособности ПИ. Сложным моментом в контроле рабочего состояния ПИ является оценка остаточного ресурса по электрической и механической прочности. Для этих целей наиболее перспективным признан метод анализа параметров ЧР, в который входят интенсивность (кажущийся заряд), частота следования, спектральный состав сигналов ЧР. Возможны два способа представления измеренных параметров импульсов ЧР. В первом из них регистрируется форма и интенсивность [9,22] каждого импульса. Однако это достаточно сложная процедура, поскольку сами импульсы имеют колебательную форму, а их спектр простирается от единиц кГц до единиц ГГц [4]. Более того, в этих условиях затруднительно точно определять их амплитуду и длительность. Причиной тому является стохастический характер возникновения самих ЧР, так как их параметры сильно изменяются во времени даже одного периода сети и не коррелируют между собой. Поэтому попытки использования результатов анализа отдельных импульсов ЧР без привязки к фазе сети не дали каких либо достоверных данных по оценке рабочего состояния и остаточного ресурса изоляторов [9,22,23]. На наш взгляд наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов, а средние значения параметров ЧР и формы их распределений по амплитуде и частоте повторения, относительно фазы приложенного напряжения. Они могут быть представлены в виде амплитудно-фазовых диаграмм (АФД) и частотно-фазовых диаграмм (ЧФД).
В тоже время амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы отражают распределение интенсивностей (амплитуд) продетектированных ЧР в зависимости от фазы приложенного напряжения, представленных в виде совокупности отдельных точек, положение которых в АФД по оси ординат характеризует кажущийся заряд (точечная диаграмма), либо в виде их усреднения по конкретному фазовому интервалу. На рис. 1.3 представлены полученные нами оба вида диаграмм для одного измерения.
Программа записи исходного массива данных
Блок синхронизации (рис. 2.12) производит разделение исходного массива данных на отдельные интервалы в соответствии с синхронизирующей синусоидой сетевого напряжения. Производится определение среднего уровня шумов для задания порога регистрации ЧР. Значение среднего уровня шумов умножается на множитель "Умножение среднего", результирующее значение порога регистрации ЧР отображается на индикаторе "Предел". Это значение используется в блоке обработки каждого отдельного периода.
Определение каждого периода сетевого напряжения производится путем нахождения точки перехода синусоиды через ноль. Для этого анализируются соседние элементы массива синхронизирующей синусоиды и при равности одного из них нулю определяется значение следующего элемента массива, если он больше нуля, то это начало первого полупериода сетевого напряжения, меньше нуля начало второго полупериода. ЕЬЭ -
В зависимости от используемого для синхронизации с сетевым напряжением понижающего трансформатора для начала отсчета блока синхронизации можно принимать начало первого или второго полупериода, устанавливая переключатель "Направление" вверх или вниз в соответствии с направлением прироста напряжения.
Блок синхронизации является циклом по условию окончания исходного массива данных. После обработки всего массива синхронизирующей синусоиды программа определяет количество периодов сетевого напряжения, которые записаны при данном измерении. Это значение является количеством циклов для следующего блока обработки каждого отдельного периода сетевого напряжения. 3) Блок обработки отдельного периода сетевого напряжения
"Период". Часть массива данных, определенная в блоке синхронизации, равная по длительности Исходными данными для блока являются: - Порог регистрации ЧР - Массив данных синусоиды питающего напряжения - Массив данных с датчиков -Массив данных, разделяющий исходный сигнал на отдельные периоды Блок обработки (рис. 2.13) является циклом с количеством повторений N, равным количеству периодов сетевого напряжения в исходном массиве данных. В блоке происходит разделение исходных массивов данных на отдельные интервалы для их последовательной обработки. Рисунок 2.13. Блок обработки отдельного периода сетевого напряжения. Обрабатываемый в данный момент период сетевого напряжения отображается на индикаторе одному периоду сетевого напряжения, обрабатывается во внутреннем цикле. Во внутреннем цикле все элементы массива сравниваются с пороговым значением, определенным в блоке считывания исходного массива; при превышении порогового значения определяется амплитуда и индекс каждого импульса ЧР. Началом отсчета индекса импульсов считается начало каждого периода сетевого напряжения. Результатом работы блока являются два массива, соответственно массив амплитуд и соответствующий ему массив индексов импульсов. В этом массиве каждому ЧР соответствует два элемента: амплитуда импульса и индекс импульса. На индикаторах "Амплитуда импульса", "Индекс импульса", "Количество импульсов" отображаются значения соответственно амплитуд, индексов и количества ЧР за каждый отображаемый в данный момент на индикаторе "Период" единичный период сетевого напряжения. Далее, два массива индексов и амплитуд разрядов преобразуются в один и по данным этого массива строятся амплитудно-фазовые и частотно-фазовые характеристики ЧР.
В блоке построения диаграмм (рис. 2.14) определяется количество ЧР за каждые десять фазовых градусов периода сетевого напряжения, таким образом, период делится на 36 равных интервалов. На фазовых диаграммах, являющихся результатом работы программы обработки данных, каждому ЧР соответствует точка с фазой возникновения привязанной к периоду сетевого напряжения и амплитудой зависящей, от мощности ЧР. На графике распределения ЧР все единичные точки образуют своеобразные скопления точек с близкой амплитудой и фазой возникновения.
Для сравнительного анализа программа строит нормированные графики распределения ЧР (рис. 1.3), где высота столбцов зависит от количества разрядов за определенный фазовый интервал сетевого напряжения. За максимум принимается фазовый интервал с наибольшим количеством зарегистрированных импульсов ЧР, и относительно него в процентном соотношении к максимальному значению определяется высота столбцов, характеризующих относительное количество ЧР в других фазовых интервалах. По окончании построения графиков результаты измерения сохраняются в файле.
Тестирование помех в системе измерения ЧР
Программа разбивает сигнал с датчиков на отдельные периоды, синхронизируя их с периодом питающего сетевого напряжения 50 Гц. Порог регистрации ЧР в программе обработки данных задается уровнем, который превышает усредненное значение сигнала всего массива данных на определенное необходимое, исходя из потребностей и уровня помех значение, определяемое в процессе измерения. Значение порога регистрации задается в пункте "Умножение среднего", таким образом, что порог сравнения будет превышать уровень среднего сигнала на множитель, указанный в пункте "Умножение среднего". Для удобства программа отображает процесс обработки исходного массива данных. В процессе работы на графическом индикаторе "Общий график" отображается ход обработки сигнала, на индикаторе "Период" отображается каждый обрабатываемый в данный момент период сетевого напряжения, который представлен в виде синусоиды сетевого питания и соответствующего ей промежутка из массива данных ЧР. Для удобства работы возможна задержка отображения каждого периода сетевого напряжения, для этого необходимо в пункте "Время задержки" указать необходимое время в секундах. Ниже графического индикатора "Период" расположены два строчных индикатора "Индекс импульса" и "Амплитуда импульса". В соответствии с количеством выборок и частотой считывания, используемой для ввода данных платы АЦП N1 PCI-6221, определяется количество фазовых интервалов, на которые разбивается каждый период сетевого напряжения. На индикаторе "Индекс импульса" отображается индекс каждого импульса ЧР, началом точки отсчета выбирается начало каждого периода сетевого напряжения. На индикаторе "Амплитуда импульса" индицируется амплитуда каждого ЧР в соответствии с его индексом. Программа отображает количество импульсов ЧР за каждый период, а также общее количество периодов сетевого напряжения в исходном массиве данных.
Результатом работы программы является массив данных, в котором каждому периоду соответствует подмассив с амплитудой и фазой возникновения каждого ЧР. Эти данные используются для построения фазовых диаграмм распределения ЧР. На фазовых диаграммах, являющихся результатом работы программы обработки данных, каждому ЧР соответствует точка с фазой возникновения, привязанной к периоду сетевого напряжения, и амплитудой, зависящей от мощности ЧР. На графике распределения ЧР все единичные точки образуют своеобразные скопления точек с близкой амплитудой и фазой возникновения. Данный тип представления позволяет идентифицировать конкретно сигналы ЧР, возникающие на дефектах изоляции, и, основываясь на фазе возникновения и амплитуде ЧР, судить о степени дефектности изоляции.
В первую очередь было исследовано влияние высокого напряжения от высоковольтного трансформатора измерительной системы. С этой целью были измерены характеристики ЧР в зависимости от значений напряжения на трансформаторе в диапазоне 6-40 кВ без присоединения нагрузки в виде изоляторов. Во всем исследованном диапазоне напряжений были обнаружены частичные разряды, которые характеризовались следующими особенностями. До напряжений ниже 30 кВ количество ЧР за интервал измерений 80-100 не превышало 100, а их интенсивность не более 10 пКл. ЧР возникали в интервалах 80 -100 и 260-280, т.е. соответствовали максимальным фазовым напряжениям на положительной и отрицательной полуволнах (рис. 3.2).
Однако, и при предельных высоких напряжениях -40 кВ, используемых в наших исследованиях, уровень числа и интенсивности ЧР от измерительного высоковольтного трансформатора был в три-четыре раза ниже, чем контролируемый уровень параметров сигналов от дефектов в изоляторах, и не превышал порогов ЧР в бездефектных изоляторах.
Были исследованы радиочастотные сигналы от радиостанций и в данном частотном диапазоне. Диапазон этих помех по уровню сигнала был узкополосным и не превышал уровень помех от измерительного трансформатора и других промышленных помех электрической природы.
Как показали наши эксперименты, сигналы ЧР в среднем незначительно превышают уровень шумов различной природы, и в первую очередь, шумы от высоковольтного оборудования, шумы производственного характера и различные иные шумы. Для выделения необходимых сигналов ЧР из шумов (белый шум), использовались две системы, первая из которых была в виде блока шумоподавления по уровню шумов и позволяла подавить шумы до определенного уровня, не изменяя величину сигналов ЧР. На рис. 3.4 представлены графики для сигналов ЧР на фоне шумов при однократной регистрации (без накопления) для временных интервалов порядка 0,24 сек. (12 периодов фазового напряжения, где на рис. 3.4а представлен график на входе приемника, (рис. 3.46) на выходе приемника без шумоподавления, (рис. 3.4в) на выходе приемника с включенным шумоподавлением в приложенном электрическом поле 0,47 кВ/см.
Сравнение метода оценки спектрального состава отдельных импульсов ЧР и стохастического подхода
Такие же изменения в амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристиках были обнаружены в изоляторе №7. Первоначально этот изолятор по своим параметрам относили к бездефектным изоляторам, чему соответствовали и характеристики ЧР. Однако, после сильного увлажнения путем введения воды во внутрь стержня вблизи нижнего оконцевателя, в изоляторе возникли дефекты в виде токопроводящих слоев на границе стержня и полимерной защитной оболочки, на рис. 4.17 и рис. 4.18 представлено изменение интенсивности ЧР при одинаковых условиях измерения.
Исследование изолятора №6, у которого был сквозной пробой стержня под оболочкой, показало, что ЧР в нем наблюдались только в первый этап измерений, при напряженностях электрического поля ниже 0,6 кВ/см (рис. 4.19). Затем при последующих измерениях через три месяца ЧР уже не наблюдались, а выше 0,7 кВ/см возникал непрерывный разряд. По нашему мнению, именно возникновение непрерывных разрядов привело к полному сквозному пробою и исчезновению ЧР в обуглившихся краях пробоя, лишившихся электрической проводимости.
Для полимерных материалов, как уже отмечалось в главе 1, характерны весьма сложные процессы деградации физико-химических свойств, что особенно проявляется для полимеров, находящихся под высоким напряжением. Эти процессы приводят к постепенному понижению порогового напряжения для возникновения ЧР. В немногочисленных исследованиях уже отмечались кратковременные (часы) и долговременные (дни и месяцы) изменения характеристик ЧР в модельных образцах полимеров из эпоксидной смолы, находящихся под напряжением [27,29,38]. Однако, до настоящего времени поведение реальных ПИ под длительным напряжением не изучалось.
Нами было выполнено изучение влияния приложенного рабочего напряжения на временные изменения характеристик ЧР как условно бездефектных (полимерные изоляторы №1-4), так и содержащих определенные дефекты (полимерные изоляторы №5,7) изоляторов.
Для образцов (изоляторы №1-4) были изучены изменения характеристик ЧР за один час непрерывного воздействия высокого напряжения, а также более длительное наблюдение за характеристиками ЧР в течении 2-3 месяцев без приложения поля. В первом случае общий характер ЧР при воздействии поля в один час сохранился. Так из рис (рис. 4.20 а,б,в) для образца №4 в приложенном поле 2 кВ/см следует, что в первые 10-15 мин произошло значительное увеличение числа ЧР, а затем за последующие 45-50 минут их количество и интенсивность практически не увеличились. Однако, области фазовых углов с максимальными значениями параметров ЧР сузились почти в 1,5-2 раза.
Временной характер изменения характеристик ЧР в течение часа приложения поля в ПИ с дефектами (изоляторы №5,7) в основном не изменялся по сравнению с теми же характеристиками для бездефектных изоляторов.
Итак, в результате изучения было установлено, что во всех изоляторах как бездефектных, так и содержавших дефекты в первый период (10-60 мин.) приложения рабочего напряжения наблюдалось увеличение как числа, так и их интенсивности (рис. 4.21).
После выключения напряжения в течении нескольких часов вследствие релаксационных процессов уменьшения электрических зарядов на дефектах происходило восстановление первоначальных характеристик ЧР для ранее исследовавшихся ПИ. Следует отметить, что подобное временное поведение характеристик ЧР характерно только для диапазона напряженностей электрических полей, не приводящих к росту размеров дефектов, первоначально уже существовавших. Так же отмечено, что сигналы коронных разрядов мало изменяются (в пределах 5-10%) в интервале времени от 0 до 60 минут.
При дальнейшем нарастании электрических полей возникало увеличение размеров и формы дефектов, приводящее к необратимому изменению характеристик ЧР.
Вследствие обнаруженных особенностей временных характеристик ЧР в ПИ, отличающихся от подобных характеристик керамических изоляторов, измерение параметров ЧР при стендовых испытаниях ПИ следует проводить только после временного интервала (не менее 1 часа) выдержки изолятора под рабочим напряжением.
