IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Надежность высоковольтного оборудования в значительной степени определяется качеством изоляции между его внешними выводами и заземленным основанием. Как правило, качество изоляции оборудования оценивается при приемо-сдаточных испытаниях повышенным напряжением в объеме и нормах по [1, 2]. Однако такие испытания относятся к разряду разрушающих методов контроля и позволяют установить лишь одно - соответствует или нет изоляция установленным требованиям к кратковременной электрической прочности. В связи с этим интерес представляют неразрушающие методы диагностики, которые обеспечивают контроль текущего состояния оборудования на месте его установки, под рабочим напряжением и, желательно, в процессе нормальной эксплуатации. Основным вопросом, на который должна ответить диагностическая система является возможность или невозможность дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования. Одним из таких методов является метод контроля состояния высоковольтной изоляции оборудования по характеристикам частичных разрядов (ЧР), возникающих задолго до полного пробоя изоляции. Этот метод позволяет выявлять дефекты изоляции на самых ранних стадиях их возникновения, отслеживать их развитие, оценивать текущее состояние изоляции и возможность дальнейшей эксплуатации оборудования.

Современный рынок средств измерений предлагает большой выбор средств контроля параметров ЧР (например, DIM-Loc - универсальный прибор оперативного контроля изоляции высоковольтного оборудования по частичным разрядам, PD-Analyzer-3 - прибор для регистрации и анализа частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования, R2200 - многоканальный переносной прибор регистрации и анализа сигналов частичных разрядов в изоляции и др.), но они предназначены для контроля узкого круга объектов, в основном трансформаторов и силовых кабелей и не позволяют проводить испытания изделий силовой электроники (мощных диодов, тиристоров, высоковольтных резисторов и т.д.) и современных металломатричных и полиматричных композиционных материалов.

Основная сложность данной проблемы заключается не в возможности разработать измерительное устройство параметров ЧР, современная база электроники и уровень IT технологий позволяют это сделать, а в способах достоверной оценки результатов диагностики дефектов и перспектив их развития по характеристикам ЧР в специфических объектах сложной конструкции, т.е. в инструменте оценки качества изделия.

Для разработки способа оценки качества изделия необходимо представлять физику процесса возникновения ЧР и проанализировать комплекс характеристик, которыми он описывается. В технике высоких напряжений под этим определением принято объединять электрические разряды различной природы, возникающие в высоковольтном оборудовании и обладающие определенными свойствами.

Частичный разряд –это электрический разряд малой мощности,который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, и не вызывает значительного изменения напряжения между ними. Длительность ЧР составляет единицы-десятки наносекунд.

Частичный разряд представляет собой локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика или пробой малых объёмов твердого или жидкого изолятора (диэлектрика).

Каждый разряд оказывает негативное воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения и повышенной температуры. Поскольку ЧР обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, с течением времени их разрушающее действие может нарастать. Это ведет к постепенному разложению материала диэлектрика, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и, в конце концов, к разрушению изолятора.

Возникновение ЧР всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим регистрация характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления той или иной изоляционной конструкции и выявить местные дефекты, которые практически невозможно определить обычными испытаниями высоким напряжением или измерениями каких-либо интегральных характеристик изоляции (тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и т.д.).

Частичные разряды образуются под действием высокой напряженности электрического поля в местах пониженной электрической прочности. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.

Механизм возникновения ЧР сходен с механизмом возникновения искрового разряда в воздухе, который можно пояснить простейшей схемой, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема, моделирующая искровой разряд в газе

При замыкании высоковольтного источника E на внешнюю цепь, конденсатор начнет заряжаться со скоростью, определяемой постоянной времени RC -цепи. По мере роста заряда на обкладках увеличивается напряжение на электродах 1 и 2 разрядника. Напряжение будет расти до тех пор, пока не достигнет некоторого критического значения – пробивного напряжения, которое аналогично напряжению зажигания ЧР в диэлектрике.

Очевидно, что величина напряжения зажигания определяется геометрией электродов, видом и состоянием диэлектрика между ними, величиной межэлектродного промежутка.

При возникновении искрового разряда заряд на конденсаторе C уменьшается, и напряжение между электродами становиться меньше пробивного. Напряжение, при котором разряд прекращается, называют напряжением погасания ЧР. После этого процесс заряда конденсатора повторяется.

Таким образом, в схеме будет наблюдаться периодический процесс изменения заряда и напряжения на конденсаторе, сопровождающийся возникновением электрических разрядов в диэлектрике разрядника.

Если в изоляторе содержится элемент диэлектрика с пониженной электрической прочностью, то такой элемент принято называть включением.Газообразные включения в изоляции возникают из-за несовершенства технологии изготовления изделий (неполная пропитка, усадочные каверны) или образуются в процессе эксплуатации вследствие чрезмерно высоких механических воздействий (трещины, расслоения), местных разогревов (термическое разложение изоляции с выделением газа) и по другим причинам.

Изолятор с включением принято описывать с помощью эквивалентной схемы, показанной на рисунке 2 [3]. Конденсатор C_в представляет собой емкость газового включения. Последовательно включенный конденсатор C_д есть емкость твердой части изоляции, имеющей общие силовые линии с включением. Конденсатор C_а – емкость остальной части диэлектрика, лишенной включений.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема при рассмотрении ЧР в диэлектрике:

• – структурная схема изолятора с включением;

  • – схема замещения структурной схемы.

Диэлектрическая проницаемость твердой части изолятора значительно выше диэлектрической проницаемости газа, поэтому напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в остальном диэлектрике.

Критичным параметром является высота включения dв, так как её увеличение ведет к росту мощности ЧР и последующему пробою диэлектрика.

Возникновение ЧР произойдет тогда, когда напряжение на включении (емкость Cв) достигнет пробивного значения Uвз – напряжения зажигания разряда во включении.

При пробое напряжение на включении падает не до нуля, а до определенного значения Uвп – напряжения погасания разряда. Напряжение погасания при размерах газового включения или масляной пленки порядка 10-100 мкм меньше соответствующего пробивного напряжения и может колебаться в широких пределах.

Анализ структурной схемы и схемы замещения приводит к следующему соотношению между напряжением на электродах и напряжением зажигания ЧР [1, 3, 4]:

На рисунке 3 представлено развитие во времени ЧР при переменном напряжении.

Рисунок 3 - Развитие ЧР во времени

После погасания разряда напряжение на включении начинает нарастать от значения U_вп по кривой, соответствующей изменению приложенного напряжения, смещенной по вертикали на значение постоянной составляющей, возникшей в результате появления зарядов на поверхности включения (на емкости C_в). Когда напряжение на C_в достигнет значения U_вз, процесс повторяется. Таким образом, разряды в рассматриваемой области диэлектрика повторяются через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на

∆U = U_вз −U_вп

Обычно, характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируются с размерами дефектов в диэлектрике, т.е. позволяют определять степень дефектности изоляционной конструкции. Для ЧР существуют измеряемые и расчетные характеристики.

Согласно ГОСТ 20074-83 и ГОСТ Р 55191-2012 установлены следующие характеристики ЧР:

- частичный разряд (ЧР) (partial discharge (PD): Электрический разряд, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, находящимися под разными потенциалами.

- импульс частичного разряда (импульс ЧР) (partial discharge pulse (PD pulse): Импульс тока или напряжения, возникающий под действием ЧР. Величина импульса измеряется с помощью специальных устройств (устройств присоединения), которые вводятся для этой цели в испытательную схему.

- кажущийся заряд q(apparent charge q): Абсолютное значение такого заряда, мгновенное введении, которого между электродами испытуемого объекта, установленного в испытательной схеме, могло бы дать такое же показание на измерительном приборе, как и сам импульс ЧР. Кажущийся заряд обычно выражается в кулонах (Кл).

Примечание - Кажущийся заряд не равен количественно значению заряда, локализованного в цепи разряда, значение которого невозможно измерить непосредственно.

- скорость повторения частичных разрядов n(pulse repetition rate n): Отношение общего количества импульсов ЧР, зарегистрированных в течение выбранного интервала времени, к продолжительности этого интервала.

- частота повторения импульсов частичных разрядов N(pulse repetition frequency N): Число импульсов ЧР в секунду при равномерно распределенных импульсах.

- цикл измерения ЧР Т_с(T_ref) (PD measurement cycle): Интервал времени с начала измерения и до окончания измерения ЧР n_c, или – число периодов испытательного переменного напряжения в интервале времени измерения ЧР.

- фазовый угол φ или/и момент t_i возникновения импульса ЧР (phase angle φ_i and time t_i of occurrence of a PD pulse)

φ_i=360(t_i/T),

где: t_i - время, измеренное с момента прохождения положительного полупериода испытательного напряжения, предшествующего разряду, через нулевое значение, до момента возникновения импульса частичного разряда;

Т - длительность периода испытательного напряжения.

Фазовый угол выражается в градусах (°).

- средний ток частичного разряда q_i(average discharge current ): Производная величина, являющаяся суммой абсолютных значений индивидуальных амплитуд кажущихся зарядов , в течение выбранного опорного интервала времени T_ref, деленная на продолжительность этого интервала

Как правило, средний ток разряда выражается в кулонах в секунду (Кл/с) или в амперах (А).

- мощность разряда P(discharge power P): Производная величина, являющаяся суммой произведений кажущихся зарядов с амплитудой q_i, на соответствующие мгновенные значения напряжения возникновения ЧР u_i в течение интервала времени измерения ЧР T_c

где u₁, u₂ ... u_i - значения испытательного напряжения (мгновенные значения) в моменты времени t_i отдельно взятых значений разрядов кажущегося заряда q_i. Необходимо учитывать знак этих отдельно взятых значений.

Мощность разряда обычно выражается в ваттах (Вт).

- энергия единичного ЧР (energy of single PD, W): Производная величина, являющаяся произведением мгновенного значения напряжения возникновения ЧР U_i на его кажущийся заряд q_i

W_i=U_i×q_i

Энергия единичного ЧР выражается в Джоулях (Дж).

Авторами был проведен сравнительный анализ методов измерений параметров ЧР, результаты которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 - сравнительный анализ методов измерений параметров ЧР

	Метод	Достоинства	Недостатки
Неэлектрические методы	Визуальный и оптический метод	Применение прозрачных электродов (например, стекол с прозрачным проводящим слоем) позволяет регистрировать ЧР под электродом. Этот метод обладает высокой чувствительностью, возможностью определить место возникновения ЧР, хорошей помехозащищенностью.	Регистрация ЧР внутри непрозрачных изоляционных конструкций таким методом невозможна.
	Акустический метод	Преимущество этого метода – возможность регистрировать ЧР внутри непрозрачных объектов большой емкости. Точная локализация источника сигналов внутри объекта. Акустические датчики практически не подвержены внешним помехам на силовом оборудовании подстанций (естественно, исключая двигатели и генераторы)	Низкая чувствительность зависящая от толщины и звукоизоляционных свойств диэлектрика.
	Химическое обнаружение	Преимуществом данного метода является практически полная нечувствительность его к помехам	Анализ химических изменений изоляционных сред проводят для маслосодержащего оборудования, контроль твердой изоляции традиционно производится путем осмотра, что, несомненно, является недоработкой существующего метода
Электрические методы	Регистрация частичных разрядов электрическими датчиками	Наиболее чувствительными к сигналам ЧР являются электрические датчики, подключенные к высоковольтной шине контролируемого оборудования через конденсатор связи.	Конденсатор связи имеет большие габариты и вес,
	Регистрация ЧР с помощью антенн	Обеспечивает дистанционные измерения без подключения к объекту. Высокая степень направленности обеспечивающая локализацию источника сигналов с точностью до нескольких десятков сантиметров. Наиболее чувствительны к дефектам в наружных частях оборудования (таких как выводы и изоляторы).	Сигналы от дефектов распространения внутри металлического бака сильно ослабевают
	Косвенные методы регистрации частичных разрядов	Методы дают представление о напряжении возникновения ЧР.	Данным методом происходит суммирование различных видов потерь в диэлектрике, тем самым затруднено выделение потерь вызванных ЧР. Малая чувствительность.
	Электрический метод измерения характеристик частичных разрядов	Позволяют надежно измерять основные характеристики ЧР и обеспечивают высокую чувствительность, минимальный регистрируемый кажущийся заряд составляет 10-14 - 10-15 Кл

Проведенный анализ методов показал, что наиболее достоверную количественную характеристику позволяет получить электрический метод измерения характеристик ЧР. Применение электрических методов измерений ЧР позволяет создавать целые экспертные диагностические системы для выявления дефектов в высоковольтном оборудовании.

Так авторами предлагается диагностическая система «K-Expertiza», которая позволит диагностировать состояние изоляции высоковольтного оборудования по интенсивности ЧР, параметры которых определялись электрическим методом. Измерение параметров ЧР осуществляется в два этапа. На первом этапе подают высоковольтное испытательное синусоидальное напряжение, амплитудное значение которого в полтора раза превышает рабочее, на втором этапе через минуту испытательное напряжение уменьшают до рабочего и производят контроль параметров ЧР. Обработка первичной информации, полученной в реально выполненном замере частичных разрядов, а также диагностика типов дефектов, проводимая в системе «K-Expertiza», иллюстрируется при помощи рисунка 4. На рисунке 4 показан один из основных экранных интерфейсов программы, непосредственно относящейся к процедуре диагностики дефектов в изоляции.

Рисунок 4 – Интерфейс диагностической системы

Справа вверху, на рабочем экране располагается плоскость TFM, иллюстрирующая объемное распределение импульсов, на которой размещается вся информация о ЧР выбранного замера, относящихся к одному измерительному каналу. В зависимости от количества выявленных программой, или пользователем, групп «похожих» импульсов на TFM плоскости, обладающих одинаковыми частотными и временными параметрами, программа автоматически создает необходимое количество «маленьких TFM плоскостей», на каждой из которых будут отображаться импульсы частичных разрядов, относящиеся только к одной локальной группе. Эти локальные распределения импульсов частичных разрядов будут располагаться на своих графиках, рядом с основным графиком TFM, и ниже его. На рисунке программой выявлена только одна группа импульсов, которая и показана в дополнительном окошке.

Справа внизу, на рабочем окне программы, располагается PRPD плоскость, на которой может быть показано распределение импульсов частичных разрядов относительно синусоиды приложенного к изоляции напряжения. Эта часть экрана позволяет оперативно оценивать тип вероятного дефекта, импульсы от которого присутствуют в замере, и были выделены в выбранную группу. Для этого на ней могут быть показаны или все импульсы частичных разрядов выбранного для диагностики замера, или же только их часть, которая сосредоточена на TFM плоскости в виде группы импульсов.

Для удобства анализа распределения импульсов, справа и снизу от PRPD плоскости, располагаются графические указатели, которые показывают распределение энергии импульсов, в функции амплитуды и полярности импульсов, и относительно фазового угла синусоиды питающей сети. Это вспомогательные графики, помогающие правильно оценивать распределение импульсов, более корректно проводить «ручную» диагностику дефектов в изоляции высоковольтного оборудования.

По каждой выделенной из общего замера группе импульсов может быть проведена автоматизированная, или «ручная» диагностика вероятных типов дефектов в изоляции. Для этой цели используется встроенная библиотека образов дефектов в изоляции. Результаты такой диагностики показываются в отдельном графическом окне программы, в виде готового текстового отчета.

Основой работы диагностической системы и достоверности полученных результатов являются так называемые диагностические правила, которые позволяют определить характер и место расположения дефекта, создавать массивы образов дефектов.

Для формирования таких диагностических правил авторами предлагается использовать комплекс статистических методов контроля качества, с помощью которых оцениваются результаты измерений характеристик ЧР.

Итоговым шагом в диагностике качества изоляции высоковольтного оборудования является формирование диагностического паспорта контролируемого оборудования.

В качестве примера на рисунке 5 приведен диагностический паспорт силового трансформатора из программы «K-Expertiza».

Рисунок 5 - диагностический паспорт силового трансформатора из программы «K-Expertiza»

Порядок формирования диагностического паспорта:

• На первом этапе формирования паспорта фиксируются основные технические параметры оборудования.

• Далее, на втором этапе, производится формирование массива частичных разрядов, монтируемых на оборудовании.

• На третьем этапе в диагностический паспорт включаются диагностические правила, которые предназначены для оборудования такого типа, и учитывают специфические особенности данного типа высоковольтного оборудования.

Диагностический паспорт определяет порядок проверки замеров частичных разрядов на соответствие признакам конкретных дефектов в изоляции оборудования, причем все процедуры проводятся в автоматическом режиме.

Литература

1 ГОСТ 1516.2-97 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. 2 ГОСТ 1516.3-96 «Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции».

3 Г.С. Кучинский. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия, 1979.-224 с.

Код для цитирования: Скопировать