Проблемы применения электрического метода регистрации характеристик частичных разрядов

Опубликовано: 28 Август 2011

О ПРОБЛЕМАХ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Е. Г. Ермаков, А. Е. Монастырский, ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
Контроль характеристик частичных разрядов для оценки состояния и выявления появляющихся дефектов в изоляции практически всех видов высоковольтного оборудования в последние годы все шире используется и дает положительные результаты. К настоящему времени накоплен достаточно обширный материал для контроля высоковольтных кабелей, электрических машин, элегазового оборудования и др. Однако для маслонаполненного трансформаторного оборудования пока не удается разработать надежную инженерную методику контроля изоляции с использованием регистрации характеристик частичных разрядов. Это обусловлено, по-видимому, рядом взаимосвязанных причин. Основная проблема при регистрации частичных разрядов электрическим методом на действующих энергетических объектах состоит в большом уровне внешних помех. Действительно, на некоторых подстанциях уровень внешних помех превышает 10-8 Кл, что не позволяет выявлять появление дефектов не только на ранних стадиях, но и в предаварийном состоянии. Для отстройки от внешних помех применяют целый ряд аппаратных средств, наиболее действенным из которых является выбор частотного диапазона измерений, в котором помехи минимальны. Реализация этого приема позволяет существенно снизить уровень внешних помех, но приводит к необходимости проведения измерений на высоких (десятки и даже сотни мегагерц) частотах. Измерения на этих частотах дают корректные результаты, если частотный диапазон сигналов частотных разрядов перекрывается диапазоном измерительной аппаратуры, а сами сигналы не искажаются при прохождении по измерительным цепям. Эти условия выполняются при регистрации частотных разрядов в высоковольтных кабелях, электрических машинах и другом оборудовании, а удовлетворение этих требований в трансформаторном оборудовании требует дополнительного экспериментального подтверждения.
К основным видам дефектов, развивающихся в изоляции трансформаторов, относятся пробой масляного каната, разряды в масляном клине, ползущий разряд, скользящий разряд. Поскольку детальное изучение характеристик частичных разрядов при развитии различных видов дефектов в реальных ситовых трансформаторах 110 кВ и выше связано с определенными организационными и материальными трудностями, на первом этапе исследования проводились на модельных образцах изоляции в лабораторных условиях.
Модель разряда в масляном канале представляла собой два скрещенных металлических цилиндра с намотанной на них бумагой толщиной 1 мм. Зазор между бумажными покрытиями составлял 1 мм. Модель разряда в масляном клине аналогичная, но с отсутствием масляного каната. Для моделирования скользящего разряда использовались два плоских круглых электрода диаметрами 114 и 40 мм с проложенной между ними картонной пластиной. Ползущий разряд исследовался с плоскими электродами одинакового диаметра (114 мм), но картонный барьер устанавливался под углом к поверхности электродов, а для зарождения ползущего разряда имелась инициирующая игла. Модели устанавливались в испытательной камере, на которую от высоковольтной установки подавалось переменное напряжение, значение которого плавно поднималось до появления частичных разрядов с уровнем кажущегося заряда выше 50 пКл. После регистрации характеристик частичных разрядов на данном уровне напряжение выдерживалось 10 мин, после чего производилась повторная регистрация. В случае если развитие дефекта на этом уровне не выявлялось, напряжение поднималось ступенчато, по 2 кВ. Эта процедура повторялась либо до появления постоянно повторяющихся мощных частичных разрядов, либо до выявления развития дефекта. После этого без изменения напряжения 1 раз в 10 мин производился съем характеристик частичных разрядов до пробоя образца. В ходе экспериментов при помощи прибора «СКИТ ЧР» осуществлялась регистрация осциллограмм частичных разрядов, их фазовых диаграмм и амплитудных спектров. На основании полученных результатов выявлялись характерные особенности для данного вида дефекта. После пробоя модельного образца его целлюлозная изоляция изучалась с целью обнаружения наглядных признаков дефекта исследуемого вида для подтверждения корректности полученных результатов.
В ходе проведения экспериментов на модели разряда в масляном канале было определено, что дефект данного вида имеет три стадии развития.
Первая стадия характеризуется появлением частичных разрядов, не приводящих к необратимым изменениям в образце. Разряды развиваются в масляном канале при напряженностях, недостаточных для его полного перекрытия, имеют кажущийся заряд не более 300 пКл и длительность фронта импульса порядка 10 не.
Вторая стадия развития дефекта наступает при увеличении воздействующего на образцы напряжения. Появляются мощные ЧР, перекрывающие масляный канал и механически воздействующие на бумажную изоляцию образцов. Разряд как игла прокапывает бумагу. В разы по сравнению с первой стадией возрастает кажущийся заряд ЧР, характерная длительность фронта импульса частичных разрядов возрастает до 15-20 не (рис. 1).
Осциллограмма частичных разрядов второй стадии
Рис. 1. Разряд в масляном канале. Осциллограмма частичных разрядов второй стадии
Вследствие длительного воздействия (60 мин и более) частичных разрядов второй стадии развития дефекта снижается электрическая прочность твердой изоляции, ЧР начинают развиваться не только в масле, но и в бумаге, происходит резкий переход дефекта в заключительную, третью стадию. Разряды начинают развиваться сложными каскадами: появляются так называемые длинные разряды (длительности фронта импульса составляет от сотен наносекунд до 1 мке), на которые накладываются «короткие» ЧР второй стадии (рис. 2). Длительность каскада составляет в среднем от 5 до 10 мкс. Максимальный кажущийся заряд частичных разрядов достигает 8000 пКл. Очевидно, что «короткие» разряды в каскаде связаны с процессами в масле, а «длинные» – в целлюлозной изоляции, ослабленной воздействием «коротких». Несмотря на то что «длинные» ЧР зачастую значительно уступают «коротким» по амплитуде кажущегося заряда, их появление говорит о глубоком развитии дефекта.
Для всех стадий развития разрядов в масляном канале характерна треугольная форма фазовых диаграмм. Разряды с максимальным кажущимся зарядом появляются с наибольшей вероятностью в области экстремумов синусоиды подаваемого на образец напряжения (5 и 15 мс) со смещением вправо на 1-2 мс (на рис. 3 трендовыми линиями ограничены области, появление частичных разрядов в которых наиболее вероятно). Амплитудные спектры на всех стадиях развития дефекта данного вида также имеют схожую между собой форму: наибольшая частота следования характерна для разрядов с минимальным кажущимся зарядом; с ростом заряда частота падает по кривой, напоминающей экспоненту.
Осциллограмма каскада ЧР третьей стадии
Рис. 2. Разряд в масляном канале. Осциллограмма каскада ЧР третьей стадии
Разряд в масляном канале
Рис. 3. Разряд в масляном канале.
Фазовая диаграмма ЧР второй стадии
В ходе проведения экспериментов на модели разряда в масляном клине выявлено, что начальная стадия развития частичных разрядов в дефектах данного вида (аналогичная образцам масляного канала) практически отсутствует. Первая стадия определяется резким появлением постоянно следующих частичных разрядов с опасным кажущимся зарядом (более 1000 пКл). Разряды развиваются каскадами, содержащими более 10 ЧР (рис. 4). Длительность каскада составляет в среднем от 5 до 10 мкс. Основная масса частичных разрядов в таких каскадах представляет собой наложение «коротких» импульсов на «длинные» либо только отдельные «длинные» импульсы. Длительность фронта «длинных» импульсов составляет порядка 100 не, «коротких» 15-20 нc. С развитием дефекта доля отдельных «длинных» импульсов в каскаде возрастает. Наиболее вероятным представляется, что «короткие» импульсы связаны с перекрытием масляного клина, а «длинные» – с разрядными процессами в целлюлозе. При развитии дефекта данного вида «длинные» ЧР на порядок уступают «коротким» по амплитуде кажущегося заряда, но, несмотря на это, их появление свидетельствует о глубоком развитии дефекта.
Осциллограмма каскада ЧР первой стадии
Рис. 4. Разряд в масляном клине. Осциллограмма каскада ЧР первой стадии
Для всех стадий развития разрядов в масляном клине характерна фазовая диаграмма, по форме напоминающая два треугольника. Количество и кажущийся заряд частичных разрядов возрастают по мере приближения к амплитудному значению подаваемого синусоидального напряжения, однако в области перед экстремумами происходит некий провал, затем рост частоты следования и кажущегося заряда повторяется (на рис. 5 трендовыми линиями ограничены области, появление частичных разрядов в которых наиболее вероятно). Амплитудные спектры на всех стадиях развития дефекта данного вида также имеют схожую между собой форму, аналогичную предыдущей модели.
Фазовая диаграмма ЧР первой стадии
Рис. 5. Разряд в масляном клине. Фазовая диаграмма ЧР первой стадии
Вследствие продолжительного воздействия разрядов в масляном клине развитие дефекта переходит в заключительную, вторую стадию, которая отличается от первой только повышением в несколько раз частоты следования частичных разрядов, в связи с чем пробой образца под действием ЧР второй стадии происходит в течение очень короткого промежутка времени (до 5 мин).
В ходе проведения экспериментов на модели скользящего разряда выявлено, что начальная стадия развития ЧР в дефектах данного вида, как и в случае развития разряда в масляном клине, практически отсутствует. Появившиеся постоянно следующие частичные разряды обладают особо опасным кажущимся зарядом (достигает 10 000 пКл и более) и длительностью фронта импульса 10-20 не (рис. 6). Дальнейшее развитие дефекта (от появления мощных ЧР до пробоя проходит порядка 30 мин) можно отследить по фазовым диаграммам. Оно происходит постепенно, ярко выраженных стадий развития не наблюдается.
Скользящий разряд
Рис. 6. Скользящий разряд
развитие дефекта в трансформаторе

Рис. 7. Скользящий разряд. Фазовые диаграммы: а – начало развития дефекта; 6 – глубокое развитие
Сначала разряды с максимальным кажущимся зарядом появляются с наибольшей вероятностью в области экстремумов синусоиды подаваемого на образец напряжения. Затем эта область постепенно расширяется и захватывает практически всю синусоиду (область помечена овалами на рис. 7, 6). Также глубокому развитию дефекта данного вида соответствует появление на амплитудном спектре нескольких экстремумов: максимальное количество ЧР выпадает на разряды с минимальным кажущимся зарядом, два последующих экстремума соответствуют областям скопления мощных ЧР на положительном и отрицательном полупериоде подаваемого на образец синусоидального напряжения (рис. 8). Наиболее вероятным представляется, что дефект данного вида развивается по следующему механизму. В начале развития скользящие разряды пробегают различную длину и соответственно имеют различный кажущийся заряд (величина кажущегося заряда при развитии ЧР в виде скользящего разряда зависит от длины его пробега по поверхности картона). Максимальная длина определяется напряженностью электрического поля.
Скользящий разряд, глубокое развитие
Рис. 8. Скользящий разряд, глубокое развитие. Амплитудный спектр
В дальнейшем под действием частотных разрядов на поверхности картона образуются науглероженные проводящие каналы, отходящие от края верхнего электрода, происходит вынос потенциала электрода на их концы, и ЧР начинают развиваться уже с концов этих каналов, что увеличивает вероятность пробега скользящего разряда по поверхности картона на максимальную длину. С развитием проводящих каналов растет доля ЧР с максимальным кажущимся зарядом, что и наблюдается на фазовых диаграммах и амплитудных спектрах. По мере углубления проводящих каналов снижается электрическая прочность целлюлозы. Наряду с «короткими» появляются «длинные» разряды, аналогичные описанным при изучении разрядов в масляном клине.
В ходе проведения экспериментов на модели ползущего разряда выявлено, что начальная стадия развития ЧР в дефектах данного вида, как и в двух предыдущих случаях, практически отсутствует. Разряды начинают развиваться сложными каскадами: появляются мощные (порядка нескольких тысяч пико-кулон) «длинные» (порядка сотен наносекунд) разряды, на которые накладываются «короткие» ЧР длительностью от 20 до 40 нс. Длительность каскада составляет в среднем от 5 до 10 мкс.
Наиболее вероятным представляется, что дефект данного вида развивается по следующему механизму. Вначале при появлении частичных разрядов большая их часть является скользящими. Затем под действием нормальной составляющей напряженности электрического поля начинает формироваться науглероженный канал ползущего разряда в толще картона. Он шунтирует скользящие разряды и выносит потенциал с верхнего электрода в толщу изоляции. Величина кажущегося заряда первого и наиболее мощного в каскаде частичного разряда при развитии ЧР в виде ползущего разряда определяется длиной перекрываемого промежутка в толще картона, что, в свою очередь, определяется длиной волокон целлюлозы.
Ползущий разряд
Рис. 9. Ползущий разряд
Поэтому наиболее мощные ЧР при развитии ползущего разряда локализуются на определенном уровне кажущегося заряда. Это наблюдается на фазовых диаграммах и амплитудных спектрах, которые отличаются от случая скользящего разряда практически полным сосредоточением ЧР на определенных уровнях кажущегося заряда.
Проведенные исследования показали, что при развитии характерных для трансформаторной изоляции дефектов наблюдаются частичные разряды, имеющие разную крутизну фронта импульсов в диапазоне от единиц наносекунд до единиц микросекунд. При этом импульсы с длинным фронтом могут иметь малую амплитуду, но являются наиболее опасными, так как появляются на заключительной стадии развития дефектов. В этих условиях использование высокочастотной измерительной аппаратуры приводит к получению существенных ошибок при измерениях и в ряде случаев к невозможности выявления опасных дефектов. В ходе исследований были получены некоторые отличительные признаки дефектов и стадий их развития, которые могут являться критериями идентификации дефекта по характеристикам частичных разрядов.
Для исследования искажения сигнала частотных разрядов при прохождении вдоль обмотки к измерительному элементу была составлена эквивалентная схема измерения ЧР, параметры которой были рассчитаны по каталожным данным трансформатора типа ТРДЦН-63000/220. В качестве расчетного параметра использовался «коэффициент достоверности», представляющий собой отношение величины кажущегося заряда, измеренного на измерительном импедансе («учрх), к величине кажущегося заряда, вводимого в обмотку (qЧР0)- В идеале значение коэффициента достоверности должно составлять единицу.
Результаты расчетов показали, что общий уровень достоверности измерений характеристик ЧР даже без учета внешних помех достаточно низкий (см. таблицу, случай без фильтра).
Коэффициенты достоверности измерений ЧР для случаев использования с фильтрами и без фильтра в измерительной цепи

Ячейка

НС

tr = = 20 нс

tr = = 60 нс

tr = = 100 НС

tr = = 20 нс

tr = = 60 нс

tr = = 100 НС

Без фильтра

Пассивный трехступенчатый КС- фильтр с частотой среза 200 кГц

1

10

0,003

0,013

0,022

0,12

0,12

0,12

100

0,002

0,007

0,012

0,12

0,12

0,12

1000

0,001

0,005

0,009

0,12

0,12

0,12

6

10

0,033

0,127

0,215

0,67

0,67

0,67

100

0,019

0,074

0,125

0,67

0,67

0,67

1000

0,009

0,035

0,059

0,67

0,67

0,67

10

10

0,118

0,453

0,767

1,00

1,00

1,00

100

0,068

0,260

0,441

1,00

1,00

1,00

1000

0,017

0,067

0,113

1,00

1,00

1,00

Ошибка при измерениях менее чем на порядок возможна только в случае развития разрядов в ближайшей к вводу части обмотки, у заземленного края обмотки ошибка составляет несколько порядков. Кроме того, обнаруживается существенная зависимость достоверности результатов измерений от длительности фронта импульса частичного разряда. В зависимости от длительности фронта импульса ЧР различие в достоверности измерения частотных разрядов внутри одной ячейки может составлять от 2 (для первой ячейки) до 7 (для десятой ячейки) раз. В результате, учитывая что в ряде случаев «длинные» ЧР имеют кажущийся заряд, на порядок меньший «коротких», регистрация «длинных» ЧР становится крайне затруднительной, практически невозможной. Между тем наличие именно «длинных» разрядов свидетельствует о наиболее глубоком развитии дефекта – разрядах в целлюлозе. Кроме того, в результате зависимости достоверности измерений от фронта импульса частичного разряда серьезно нарушается геометрия рисунков фазовых диаграмм и амплитудных спектров. Таким образом, для повышения общей диагностической ценности электрического метода измерения ЧР и возможности успешного применения выявленных критериев идентификации дефектов по характеристикам ЧР необходимо повысить общий уровень достоверности измерения частичных разрядов и минимизировать зависимость достоверности от длительности фронта импульса ЧР.
Расчеты показали, что наиболее эффективно с данными задачами справляются низкочастотные фильтры (см. таблицу, случай использования фильтра). Так, трехступенчатый пассивный RC-фильтр с частотой среза 200 кГц позволяет существенно повысить общую достоверность измерений ЧР (в десятой ячейке имеем оптимальные коэффициенты, в первой – затухание не превышает одного порядка) и практически полностью исключить зависимость достоверности от длительности фронта импульса ЧР.
В результате проведенных исследований было установлено, что при развитии характерных для трансформаторной изоляции дефектов наблюдается существенное (более двух порядков) изменение длительности фронта импульсов частотных разрядов, при этом разряды с большим фронтом являются более опасными, несмотря на меньшую их величину. При прохождении импульсов вдоль обмотки трансформатора импульсы с различной длительностью фронта создают на измерительном элементе (при использовании высокочастотной измерительной аппаратуры) сигналы существенно разной амплитуды, что приводит к большим погрешностям измерений. Исходя из этого, использование высокочастотной аппаратуры для контроля изоляции силовых трансформаторов малоэффективно.
В данной работе в результате проведения опытов на модельных образцах изоляции получены отличительные признаки идентификации дефектов трансформаторов по характеристикам частичных разрядов. На примере трансформаторов типа ТРДЦН-63000/220 подобраны оптимальные параметры измерительной цепи, что позволяет уйти от влияния длительности фронта импульса ЧР на достоверность измерений, максимально точно передавать геометрический рисунок фазовых диаграмм и дифференциальных спектров и тем самым эффективно применять выявленные критерии. Кроме того, в случае использования фильтра с приведенными характеристиками значительно повышается общий уровень достоверности измерений, максимально повышается достоверность измерения наиболее опасных «длинных» ЧР. Применение выявленных критериев идентификации дефектов в сочетании с мерами по повышению достоверности измерения ЧР позволяет максимально использовать диагностические возможности данного метода, что, в свою очередь, дает возможность ускорить, упростить, удешевить поиск дефектов в силовых трансформаторах и в конечном счете повысить надежность их работы.

Ещё по теме:

Comments

One Response to “Проблемы применения электрического метода регистрации характеристик частичных разрядов”
  1. Смехов Александр пишет:

    Уважаемые авторы статьи! исходя из названия статьи, суть я увидел только в том что существует множество посторонних помех, отстройка от них описана не совсем конкретно, и хотелось бы очень узнать полностью всю структуру вашего анализа, каким образом происходит выбор частот? как Вы задаете значение разрушающего и не разрушаюшего ЧР, и каким образом и в каком виде происходит сбор данных с диагностируемого оборудования?
    Если ответите буду премного благодарен.

Оставить отзыв