Разработка методики и аппаратуры регистрации частичных разрядов в электрооборудовании под рабочим напряжением

В составе РАО находится свыше 40 ты с. км межсистемных воздушных линий электропередачи и более 100 трансформаторных подстанций напряжением 330−750 кВ. Интегрирующий показатель износа основного оборудования сетей близок к 40%. Надежность работы межсистемных сетей в последние годы снизилась. Из всех нарушений в работе на оборудование подстанций приходится 36%, на BJI- 42%, на устройства РЗА — 14% и на ошибки оперативного персонала- 8%. Столь высокая аварийность обусловлена рядом причин. Главными из них являются большой физический износ оборудования, усиливающиеся техногенные влияния, природные катаклизмы и вандализм населения. Отметим общность проблемы износа не только для России, но и для всех стран, так как оборудование СВН, появившееся в середине 20-го века, уже выработало свой ресурс. Ввод нового оборудования происходит крайне медленно.

Для поддерживания требуемого уровня надежности оборудования, установленного на воздушных линиях электропередачи (BJI) и подстанциях (ПС), используется система технического обслуживания, включающие очередные и внеочередные осмотры, профилактические проверки и измерения. Электротехническими и линейными службами АО-энерго и межсистемных электросетей затрачиваются большие усилия для своевременного выявления и устранения дефектов, ремонта и послеаварийного восстановления оборудования. Однако и система в целом, и ряд методов профилактического контроля, в особенности, обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, они трудоёмки и, следовательно, высокозатратны. Во-вторых, они малоэффективны и метрологически недостаточно надежны, о чем говорит высокая аварийность оборудования. В-третьих, существующая система морально устарела в целом.

В настоящее время происходит переход от системы плановых ремонтов к новой системе обслуживания по текущему техническому состоянию оборудования. Это обстоятельство резко повышает ответственность за правильный диагноз состояния оборудования, поставленный при испытаниях и контроле. Но оно же в еще большей степени подчеркивает архаичность традиционных методов контроля, требующих, как правило, отключения оборудования и проведения трудоемких, но малоэффективных (иногда и с необоснованно высоким риском повреждения) испытаний. Появившиеся в последние годы новые технологии, например, тепловизионный контроль, являются хорошим примером в модернизации системы профилактического контроля оборудования, но не исчерпывают проблемы. Для обнаружения многих дефектов требуются новые методы производительные, надежные и безопасные как для самого оборудования, так и для контролирующего персонала.

Таким образом, имеется проблема недостаточной эффективности технологий обслуживания электрических сетей. Поэтому создание новых или повышение эффективности существующих методов профилактики актуально.

Одним из перспективных направлений в решении указанной проблемы является дефектоскопия изоляции оборудования, находящегося в эксплуатационном режиме под рабочим напряжением, с использованием характеристик внутренних частичных разрядов (ЧР). Проблемы, связанные с ЧР того или иного вида, известны уже более полувека. Принято считать, что ЧР являются главной причиной старения изоляции, особенно выполненной из органических материалов. Метод регистрации ЧР широко применяется в заводских приемо-сдаточных испытаниях многих видов оборудования, и зарекомендовал себя как самый чувствительный метод по отношению к локальным дефектам и нарушениям технологии при изготовлении изоляционных конструкций. Это можно объяснить, прежде всего, относительной «легкостью» заводских испытаний по сравнению с эксплуатационными. В условиях заводских испытательных станций или в специально оборудованных лабораториях можно относительно просто решить вопросы защиты от помех путем экранирования схемы регистрации, фильтрации испытательного напряжения и др.

В то же время выход на эксплуатационные измерения и локацию источников ЧР для целей диагностики оборудования в настоящее время состоялся фактически только в начале 90-х годов. Именно в это время бурное развитие цифровой микроэлектроники и компьютерной техники предопределило принципиальную возможность селекции сигналов и помех аппаратными и программными средствами. Однако чтобы реализовать ее нужно еще не раз возвращаться к базовым вопросам о ЧР как физическом процессе и трансформации характеристик ЧР в различных условиях. Не менее важно знать характеристики помех, их виды механизмы генерации и проникновения в сигнальные цепи. Лишь после решения этих вопросов могут появиться надежные способы селекции сигналов ЧР от помех, обоснованные критерии опасного уровня ЧР для изношенного оборудования, алгоритмы распознавания образа дефекта.

В соответствии с изложенным, целью работы является всестороннее исследование характеристик ЧР и помех, разработка на основе этих исследований аппаратуры и методик диагностики состояния силового трансформаторного оборудования под рабочим напряжением. В качестве объекта исследований в данной работе выбраны внутренние изоляционные конструкции силового трансформаторного оборудования электрических сетей. Предметом исследований является профилактический контроль состояния изоляции. Используемые в данной диссертационной работе методы исследования заключаются в анализе опыта профилактического контроля оборудования и проведении экспериментальных исследований, включая реальные условия эксплуатации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи.

1. Проанализировать достоинства и недостатки методов и средств регистрации ЧР силового трансформаторного оборудования, применяемые в России и за рубежом. Определить наиболее перспективные из них для целей профилактического контроля состояния изоляции.

2. Провести экспериментальные и теоретические исследования характеристик разрядных процессов: ЧР и короны. Обосновать и проверить натурными исследованиями возможность выявления ряда дефектов изоляции оборудования по характеристикам ЧР.

3. Разработать основные технические требования, выполнить научную и опытно-конструкторскую разработку комплекса аппаратуры для диагностики состояния изоляционных конструкций по характеристикам ЧР. Разработать программное обеспечение для вновь разрабатываемой аппаратуры.

4. Провести стендовые и натурные испытания аппаратуры. Определить характерные признаки сигналов ЧР для различных видов и места расположения дефектов в оборудовании. Оценить затухание и искажения сигналов ЧР, предложить критерии для определения места расположения дефекта. Разработать методы селекции сигналов ЧР от помех в условиях эксплуатации, когда контролируемое оборудование находится в работе.

5. Сравнить полученную с помощью разработанных методов и аппаратуры диагностическую информацию с полученной другим методами и средствами, тем самым, оценив достоверность результатов выявления дефектов трансформаторов с маслонаполненной изоляцией.

Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установлено, что на положительных полуволнах переменного напряжения кажущийся заряд коронных разрядов на ошиновке ПС 500 кВ превышает, как минимум на порядок, кажущийся заряд на отрицательных полуволнах. Длительность серии коронных разрядов не превышает 3 мс, заряд единичного импульса достегает 30 нКл, а длительность единичных разрядов находится в диапазоне 40−90 не со среднестатистическим значением 60 не.

2. Предложено использовать для селекции ЧР от помех следующие основные различия сигналов ЧР и короны:

— ЧР в газовых пузырьках и тонких масляных прослойках между слоями бумаги имеют крутой фронт сигналов, сдвиг по времени между максимумами сигналов на вводах ВН и СНотсутствует «предимпульс» другой полярности на вводе СН, характерный для электростатического влияния заряда (примерной короныразница в соотношении амплитуд сигналов СН и ВН — примерно 12 раз;

— сигналы короны имеют отрицательную полярность «основного сигнала», взятого с ввода, где возникла положительная стримерная коронаотносительно длинный фронтположительную полярность «предимпульса» на другом вводесовпадение моментов появления «основного сигнала» и «предимпульса" — временную задержку между максимумами отрицательных пиков в сигналах.

3. Сформулированы и обоснованы требования к регистраторам ЧР для надежного выделения сигналов ЧР, локализации и идентификации дефектов, а также удобства и оперативности проведения измерений:

• число подключаемых к (авто)трансформатору электрических датчиков ЧР — не менее 3 (3 ввода), оптимальное — 8 (6 вводов + бак + нейтраль) — к шунтирующему реактору — не менее 9 (3 ввода + 6 экранов);

• общий диапазон по амплитуде входных сигналов, регистрируемых датчиками системы должен захватывать диапазон амплитуд зарядов от 1 пКл до 100 нКл, при этом динамический диапазон регистрации должен составлять не менее 40 дБ;

• частотный диапазон датчиков регистратора должен находиться в пределах: нижняя граничная частота 1−10МГц, верхняя — 30 — 100 МГц;

• частота дискретизации АЦП — не менее 100 МГц.

4. Экспериментально установлено, что электрический метод регистрации ЧР обладает более высокой чувствительностью, чем метод хроматографического анализа растворенных в масле газов, и позволяет выявить некоторые дефекты (например, распрессовку сердечника трансформатора), к которым не чувствителен хроматографический анализ.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась проведением испытаний и измерений на аттестованном оборудовании высоковольтного испытательного комплекса СибНИИЭ. Испытания и измерения проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2 -76, 20 074 -83, стандартов МЭК и других нормативных документов. Кроме того, оценки чувствительности, помехозащищенности и метрологической точности измерений были выполнены с запасом по отношению к возможным ошибкам.

Практическая значимость работы.

Разработан цифровой регистратор-анализатор «ЦРЧР». Опробован, доработан и признан наиболее удовлетворяющим требованиям сегодняшнего дня регистратор-анализатор «R2000», выбранный в качестве базового измерителя для проведения дальнейших исследований в области регистрации ЧР. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для регистрирующей аппаратуры.

Доведена до практического использования методика эксплуатационного контроля состояния изоляции трансформаторного оборудования по характеристикам ЧР. Предложенные автором методы селекции помех и локации очагов ЧР вошли в методические рекомендации по эксплуатационному контролю оборудования методом регистрации ЧР, утвержденные Департаментом научно-технической политики и международного сотрудничества ОАО «ФСК ЕЭС».

Внедрение результатов работы.

Разработанная методика и аппаратура («ЦРЧР», «R2000») использовались в филиале ОАО «ФСК ЕЭС» БП «Электросетьсервис» для диагностики состояния оборудования ПС-500 кВ при их обследованиях в предприятиях межсистемных электрических сетей Урала, Сибири и Востока. Методика и аппаратура для регистрации ЧР использовались в научных исследованиях (СибНИ-ИЭ), при заводских испытаниях («Феникс-88», «АВВ — Уралэлектротяжмаш») и эксплуатационных обследованиях оборудования на предприятиях АО «Куз-бассэнерго», АО «Алтайэнерго», «Транснефтьналадка» и др.

Апробация.

Отдельные результаты работы обсуждались на научных семинарах Сиб-НИИЭ, НГТУ, конференциях РАО «ЮС России» «ЛЭП — 2000», на семинарах Уральского Совета по диагностике и ПЭИПК, международных конференциях, в том числе, «Электротехника — 2010» — ТРАВ ЭК и на сессиях СИГРЭ. Результаты работы опубликованы в 10 печатных трудах.

Объем и краткое содержание работы.

Общий объем работы — 163 страницы. Диссертационная работа изложена на 156 страницах текста, иллюстрируется 98 рисунками и 4 таблицами. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка использованных источников из 101 наименования.

Выводы по разделу.

Сравнительный анализ метода ХАРГ и метода регистрации ЧР показал большую чувствительность последнего при обнаружении развивающихся дефектов изоляции.

В то же время оба метода взаимно дополняют друг друга, и повышают надежность диагностической информации, позволяя устанавливать связь между степенью опасности повреждения и скоростью изменения характеристик ЧР совместно с ростом растворенных в масле газов.

Кроме того, совместное использование обоих методов позволяет избежать ошибок в следующих ситуациях:

1. Развитие нескольких дефектов, проявление которых по некоторым диагностическим показателям может быть близким.

2. Вероятность приборной или методической ошибки измерений.

3. Наличие «скрытых» дефектов, которые не удалось выявить в процессе прямых измерений или проявления которых возможно только в определенных режимах (например, при КЗ).

4. Дефекты, которые самоликвидировались, однако их проявление может быть зафиксировано с помощью других методов, например, в результате физико-химических анализов масла.

Опыт обследования показывает, что отдельно взятые диагностические параметры могут не выходить за границы предельно-допустимых значений, что не позволяет проводить браковку оборудования и рекомендовать проведение ремонта. Однако анализ совокупности диагностических факторов может дать объективную картину состояния оборудования и своевременно выявить развивающиеся дефекты.

Заключение

.

1. В результате ретроспективного анализа литературных данных прослежен процесс развития методик и средств регистрации ЧР, а также обозначены основные проблемы в регистрации частичных разрядов, стоящие перед диагностикой высоковольтного оборудования на сегодняшний день. В частности, для силового трансформаторного оборудования это: надежное выделение сигналов ЧР из общего помехового фонавопросы правильной интерпретации полученных результатов с целью локации обнаруженных дефектов и определения степени их опасностиобоснованность требований к регистраторам ЧРвопросы корректной градуировки схем измерения ЧР. Основной целью работы автор выбрал совершенствование эксплуатационных методов диагностики изоляции на основе регистрации электрических сигналов ЧР.

2. В электрофизических экспериментах исследована феноменология коронного разряда, возникающего на шинах подстанций и на вводах высоко* вольтных устройств. С помощью осциллографирования импульсов тока и регистрации оптического излучения получены основные характеристики коронного разряда: величины тока и заряда, форма и размеры разрядных каналов, времена и скорости их формирования. Произведены оценки распределения импульсов тока коронного разряда и анализ временных характеристик. Установлено, что коронные разряды возникают вблизи максимального значения положительной полуволны напряжения и длительность интервалов их существования не превышает 3 мс даже при напряженности поля на экране ввода 500 кВ, превышающей на 10% величину рабочей напряженности. В остальной области полуволн переменного напряжения коронные разряды, соответствующие интенсивности ЧР, равной 0,1 нКл и выше, не наблюдаются.

3. Показано влияние вида ЧР на величину и форму регистрируемых электрических сигналов. Сформулированы основные требования к системе регистрации ЧР электрическим методом в сверхширокой полосе частот.

Только при этом условии можно различить один тип ЧР от другого и от помех, сделать корректные оценки заряда и энергии ЧР, размеров воздушных включений и др.

4. Подвергнуты тщательной опытной проверке способы защиты от помех и селекции полезных сигналов. Показано, что с появлением новых поколений цифровых измерительных приборов можно применить ряд новых признаков селекции ЧР по форме и полярности сигналов. На основе большого практического опыта обследования оборудования подтверждены, конкретизированы и расширены исходные требования к аппаратуре и методике регистрации ЧР, сформированные ранее на основе лабораторных электрофизических исследований.

5. Разработан, изготовлен и внедрен в практику интеллектуальный цифровой регистратор «ЦРЧР». С его помощью получен богатый опыт в комплексном обследовании силового трансформаторного оборудования, подтверждены предложенные методики и намечены дальнейшие шаги в этом направлении.

6. На более чем 80 единицах силового трансформаторного и вращающегося оборудования опробован регистратор-анализатор «Д2000», который выступил в качестве наиболее эффективного средства выявления, как ослабленной изоляции вращающихся машин, так и дефектов трансформаторного оборудования с точки зрения определения интенсивности частичных разрядов. Разработано программное обеспечение для обработки и интерпретации результатов измерений.

7. Регистратор «R2000» принят в качестве базового аппарата для дальнейших исследований в области регистрации ЧР. Одно из достоинств его схемотехнического решения — подключение в качестве источников сигналов для сравнительных каналов фотоэлектронных умножителей, электромагнитных антенн и т. п. как чувствительных элементов к различного рода помехам (корона, искровые разряды от возбудителей и т. п.) и последующая автоматическая режекция импульсов помех. Цифровая основа данных регистрации позволит применять для определения видов и локации дефектов теорию фракталов и нечетких множеств, как в процессе измерения, так и в последующем анализе данных.

8. На основе сравнительного анализа практического применения для контроля внутренней изоляции оборудования метода регистрации ЧР и хро-матографического анализа растворенных в масле газов показано, что метод регистрации ЧР обладает высокой способностью обнаруживать локальные дефекты изоляции. Кроме того, в сочетании с другими методами, регистрация ЧР существенно повышает достоверность оценки состояния изоляции, особенно, в начальных стадиях ее старения.