/
Текст
Русов В.А.
Измерение частичных разрядов
в изоляции высоковольтного
оборудования
Данная работа написана по результатам ис-
следовательских, опытно-конструкторских, про-
изводственных и внедренческих работ, выполнен-
ных сотрудниками фирмы «DIMRUS» в России
и за рубежом. Целью написания работы является
желание автора популяризировать современный
метод диагностики состояния высоковольтной
изоляции, основанный на измерении и анализе
частичных разрядов.
Очевидно, что одно это методическое описание
не решает всех проблем, связанных с практической
реализацией метода контроля частичных разрядов в
изоляции, тем более что его комплексное описание
в литературе практически отсутствует.
Для практических специалистов необходи-
мо осветить в литературе три основных вопро-
са, касающихся данного метода. Это, во-первых,
теоретическое описание причин и особенностей
возникновения частичных разрядов в изоляции
различного типа. Во-вторых, это описание мето-
дов, средств и особенностей регистрации частич-
ных разрядов в различных типах высоковольтно-
го оборудования. В-третьих, это сама процедура
диагностики, дополненная алгоритмами оценки
текущего технического состояния изоляции.
Данная работа более или менее подробно опи-
сывает процедуру регистрации частичных раз-
рядов, а также касается некоторых вопросов диа-
гностики дефектов в изоляции. Для получения
недостающей информации по первому и третьему
вопросам читателю придется обратиться к другим
литературным источникам.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ, СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ
И АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ......................10
1.1. Параметры частичных разрядов............10
1.1.1. Расчетные и нормируемые параметры частичных
разрядов...................................12
1.1.2. Частотный диапазон измерительной
аппаратуры.................................23
1.2. Связь параметров импульсов частичных
разрядов с конструктивными особенностями
оборудования..................................37
1.2.1. Влияние зоны возникновения дефекта
в изоляции на параметры частичных разрядов.38
1.2.2. Связь конструктивных особенностей
оборудования с распределением импульсов
частичных разрядов........................44
1.3. Высокочастотные помехи, влияющие
на измерение частичных разрядов
в высоковольтном оборудовании.................46
1.3.1. Общая классификация высокочастотных
помех......................................47
1.3.2. Коронный разряд — основная
высокочастотная помеха при рабочих
напряжениях больше НО кВ...................49
1.3.3. Высокочастотные помехи, проникающие
в оборудование извне.......................51
1.4. Аппаратные методы и средства отстройки
от воздействия высокочастотных помех..........53
1.4.1. Сравнение импульсов частичных разрядов
по амплитуде...............................55
1.4.2. Отстройка от помех при помощи контроля
времени прихода импульсов по двум и более
каналам...................................60
1.4.3. Анализ полярности импульсов частичных
разрядов, зарегистрированных несколькими
датчиками.................................63
I .s. Аналитические и графо-аналитические способы
о гстройки от помех и определения типа дефектов.67
1.5.1. Стандартные графические представления
распределения частичных разрядов............69
1.5.2. Время-частотное распределение импульсов
частичных разрядов в изоляции — TFM.........73
1.5.3. Амплитудно-фазо-частотное распределение
импульсов — PRPD............................77
2. ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА.........................80
2.1. Обеспечение корректного измерения частичных
разрядов в изоляции оборудования................80
2.1.1. Выбор конфигурации схемы измерения
частичных разрядов...........................81
2.1.2. Метрологическое обеспечение процедуры
измерения и анализа распределения частичных
разрядов....................................89
2.1.3. Влияние параметров калибровочного
импульса на результаты измерения частичных
разрядов....................................92
2.1.4. Синхронизация измерений частичных
разрядов относительно синусоиды питающего
напряжения..................................98
2.2. Диагностика дефектов в изоляции на основании
анализа уровня и распределения частичных
разрядов........................................101
2.2.1. Анализ частотных и временных параметров
импульсов частичных разрядов.................102
2.2.2. «PD-Expert» — пример автоматизированной
экспертной системы диагностирования
дефектов в изоляции по частичным разрядам....ПО
2.3. Результаты практического моделирования
и диагностирования дефектов в высоковольтной
изоляции......................................119
2.3.1. Дефект № 1. Частичный разряд между
двумя слоями высоковольтной изоляции,
«внутренний разряд»........................120
2.3.2. Дефект № 2. Частичный разряд между
проводником, находящимся под «плавающим
потенциалом»................................122
2.3.3. Дефект № 3. «Поверхностный разряд
с земляного электрода»......................124
2.3.4. Дефект № 4. «Поверхностный разряд
с высоковольтного электрода»................126
2.3.5. Дефект № 5. «Корона с высоковольтного
электрода»..................................128
2.3.6. Дефект № 6. «Корона с земляного электрода».... 131
2.4. Практическое сравнение чувствительности
приборов измерения частичных разрядов,
работающих в разных диапазонах частот...........132
3. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ...................................141
3.1. Измерение частичных разрядов при помощи
электромагнитных контактных датчиков............143
3.1.1. Установка «НР»-датчиков частичных
разрядов на трансформаторах.................145
3.1.2. Способы отстройки от влияния коронных
разрядов при регистрации частичных разрядов
в трансформаторах...........................157
3.1.3. Измерение частичных разрядов в изоляции
трансформаторов понижающих подстанций
в режиме «on-line»...........................174
3.1.4. Измерение частичных разрядов в изоляции
трансформаторов передающих подстанций........183
3.1.5. Измерение частичных разрядов в силовых
трансформаторах с использованием источника
испытательного напряжения....................187
3.1.6. Измерение частичных разрядов в изоляции
измерительных трансформаторов тока...........189
3.1.7. Калибровка схем измерения частичных
разрядов в трансформаторах, использующих
датчики типа «С-Sensors»....................192
3.2. Измерение частичных разрядов в трансформаторном
оборудовании при помощи акустических датчиков.... 196
3.2.1. Регистрация акустических частичных
разрядов при помощи переносного одноканального
прибора.........................................199
3.2.2. Локация места возникновения разрядов..202
3.2.3. Мониторинг частичных разрядов
при помощи акустических датчиков.............207
3.3. Контроль частичных разрядов в изоляции
трансформаторов при помощи датчиков
электромагнитного поля.........................208
3.3.1. Измерение частичных разрядов
в UHF-диапазоне частот при помощи переносных
одноканальных приборов......................209
3.3.2. Измерение частичных разрядов
в трансформаторах, проводимое в UHF-диапазоне
частот при помощи стационарных датчиков.....215
3.3.3. Использование радиочастотного метода
для локализации мест возникновения дефектов
в UHF-диапазоне частот......................218
4. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЯХ
И ГЕНЕРАТОРАХ...................................221
4.1. Датчики для измерения частичных разрядов
в обмотке статора электрических машин...........224
4.1.1. Конденсаторы связи для подключения
к входным зажимам обмотки статора
электрической машины.........................225
4.1.2. Датчики частичных разрядов для монтажа
в пазу статора...............................232
4.1.3. Дополнительные датчики, используемые
для измерения частичных разрядов
в электрических машинах......................234
4.2. Схемы измерения частичных разрядов
в электрических машинах в режиме «off-line».....236
4.3. Измерение частичных разрядов в обмотке
статора электрических машин в режиме
мониторинга.....................................242
4.4. Калибровка схем измерения частичных
разрядов в электрических машинах................251
5. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ КОММУТАЦИОННОГО
И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ,
КРУЭ И КРУ..................................254
5.1. Измерение частичных разрядов в элегазовом
оборудовании при помощи акустических
датчиков....................................255
5.2. Измерение частичных разрядов в элегазовом
оборудовании при помощи емкостных
датчиков и UHF-антенн.......................259
5.2.1. Датчики для регистрации импульсов
частичных разрядов в элегазовом оборудовании,
работающие в UHF-диапазоне частот.........259
5.2.2. Измерение частичных разрядов при помощи
переносных приборов.......................264
5.2.3. Системы мониторинга состояния изоляции
элегазового оборудования, работающие
в UHF-диапазоне частот...................266
5.3. Комплексный подход к мониторингу частичных
разрядов в КРУ и отходящих кабельных линиях..273
5.3.1. Система мониторинга изоляции КРУ,
кабельных линий и высоковольтных потребителей
на основе интеллектуального реле «IDR-Ю»..274
5.3.2. «SG-DM» — комплексная система мониторинга
и диагностики изоляции КРУ................277
6. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЯХ......................................280
6.1. Установка первичных датчиков контроля
частичных разрядов в кабельных линиях........280
6.1.1. Установка датчиков частичных разрядов в цепи
заземления экрана.........................281
6.1.2. Использование конденсаторов связи
для контроля частичных разрядов...........287
6.1.3. Использование дополнительных датчиков
для контроля частичных разрядов...........290
6.2. Схемы измерения частичных разрядов
в кабельных линиях в режиме «off-line»........295
6.3. Схемы измерения частичных разрядов
в кабельных линиях в режиме мониторинга.......301
6.3.1. Измерение частичных разрядов в кабельных
линиях в режиме мониторинга....................301
6.3.2. Измерение частичных разрядов в «крайних»
кабельных линиях...............................304
6.3.3. Использование систем мониторинга
для локализации места возникновения дефектов
в изоляции кабельных линий.....................308
6.3.4. Конфигурация системы мониторинга
кабельной линии небольшой длины................312
6.3.5. Конфигурация системы мониторинга
изоляции длинной высоковольтной кабельной
линии......................................314
6.3.6. Использование систем мониторинга
для контроля состояния соединительных
муфт кабельной линии.......................316
6.4. Калибровка схем измерения частичных разрядов.318
7. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ ПО РАЗРЯДНЫМ ПРОЦЕССАМ,
КОНТРОЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЛЭП..................320
7.1. Датчики для контроля разрядных процессов
в воздушных линиях.............................322
7.1.1. Установка конденсаторов связи на воздушных
линиях.........................................322
7.1.2. Использование в качестве датчиков разрядных
процессов в ЛЭП высоковольтных вводов
трансформаторов и выключателей.............325
7.1.3. Использование электромагнитных датчиков —
антенн для контроля частичных разрядов
в воздушных линиях.............................327
7.1.4. Локация мест возникновения дефектов
в подвесной изоляции ЛЭП.......................329
7.2. Мониторинг состояния подвесной изоляции
воздушной линии на основании регистрации
и анализа разрядных процессов.................334
7.3. Регистрация импульсных и грозовых
перенапряжений в линиях.
Контроль мест коротких замыканий и обрывов.....340
7.4. Калибровка измерительных цепей перед
регистрацией разрядных процессов в воздушных
линиях......................................343
8. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ОБОРУДОВАНИИ..................344
8.1. Датчики регистрации частичных разрядов
для контроля состояния высоковольтной
изоляции....................................344
8.1.1. Датчики частичных разрядов марки «RFCT».344
8.1.2. Высокочастотные конденсаторы связи
марки «СС»...............................354
8.1.3. Датчики для синхронизации процесса
измерений частичных разрядов с питающим
напряжением..............................356
8.1.4. Датчики марки «DB-2» для контроля токов
проводимости вводов и частичных разрядов
во вводах и в силовых трансформаторах....359
8.2. Переносные приборы регистрации
частичных разрядов..........................360
8.3. Краткий обзор систем непрерывного
мониторинга частичных разрядов в изоляции....362
8.4. Технические средства калибровки
измерительных схем..........................362
8.4.1. Калибровочный генератор «GKI-1»...364
8.4.2. Калибровочный генератор «GKI-2»...365
8.4.3 Калибровочный генератор «GKI-З»....366
8.4.4. Калибровочный генератор «GKI-4»...367
1. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ
В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ,
СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА
РЕЗУЛЬТАТОВ
В данном разделе рассматриваются наиболее общие во-
просы, относящиеся к практическому применению метода
регистрации и анализа частичных разрядов в высоковольтной
изоляции. Все внимание уделяется не математическим выклад-
кам и формулам, которых здесь практически нет, а попыткам
объяснить сложные процессы измерения, нормирования и
анализа частичных разрядов на уровне, понятном прикладным
специалистам, проводящим измерения на реальном высоко-
вольтном электротехническом оборудовании.
Сразу определимся, что в этом разделе, как и во всей рабо-
те, нет описания теории возникновения и развития частич-
ных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования.
Тому, кого эти вопросы интересуют более подробно, следует
обратиться к работам других авторов, носящим более фун-
даментальный характер. В данной работе все теоретические
вопросы описываются только в том минимальном объеме,
который абсолютно необходим для практического понимания,
и оптимальной организации работ по диагностике текущего
состояния высоковольтной изоляции.
1.1. Параметры частичных разрядов
Частичный разряд — это искровой разряд очень маленькой
мощности, который образуется внутри высоковольтной изо-
ляции или на ее поверхности. Частичным он называется по-
тому, что «перекрывает» только часть общего изоляционного
промежутка.
В литературе есть целый ряд теорий, в которых понятие
частичный разряд делится на более мелкие категории, вводится
целый ряд новых определений. В данной работе этот вопрос
не рассматривается, хотя на определенном этапе диагностики
это может принести практическую пользу. Мы будем при-
держиваться достаточно простой терминологии, в которой
первым в зоне дефекта изоляции возникает частичный раз-
ряд, с течением времени по мере развития он перерастает в
искровой разряд, а завершается процесс деградации изоляции
дуговым разрядом.
Частичные разряды возникают в изоляции оборудования
среднего и высокого классов напряжения. Обычно считает-
ся, что измерение частичных разрядов можно проводить при
рабочем напряжении от 4 кВ. При меньших напряжениях эти
измерения, наверное, можно также проводить, но достовер-
ность получаемой информации будет явно недостаточной.
При таких напряжениях чаще всего физика возникновения и
развития разрядных процессов будет несколько иной.
Необходимо очень хорошо понимать, что опасность для
оборудования представляют не сами разряды, а результат их
воздействия на изоляцию. На практике существует много еди-
ниц оборудования, в которых присутствуют частичные разряды
достаточно большого уровня, но это оборудование долго и
надежно работает. В то же время частичные разряды, имею-
щие значительно меньший уровень, но большую суммарную
энергию, могут быстро вывести оборудование из строя.
Для оценки влияния частичных разрядов на состояние
высоковольтной изоляции наилучшие результаты дает «энер-
гетический» подход, когда рассматривается суммарное воздей-
ствие всех импульсов, а не оценка степени развития дефекта по
одному, пусть даже и очень большому, импульсу от частичного
разряда. Именно энергетическое воздействие разрядов при-
водит к расширению зоны дефекта, деградации изоляции и,
в конечном итоге, к трансформации локального дефекта в
глобальный разряд.
Чаще всего периодически повторяющиеся частичные раз-
ряды вне зависимости от причины возникновения локального
дефекта методично разрушают высоковольтную изоляцию,
приводя к науглероживанию зоны вокруг дефекта. Это «скры-
тый» период развития дефекта. Развитие зоны дефекта рано
или поздно приводит к дуговому пробою всего изоляционного
промежутка. Обычно разрушение изоляции под действием
частичных разрядов происходит достаточно долго: в течение
многих месяцев и даже лет.
По этой причине регистрация частичных разрядов, оценка
их амплитуды и повторяемости, что эквивалентно определе-
нию мощности частичных разрядов, является эффективным
способом выявления дефектов в высоковольтной изоляции
на ранних стадиях развития. По своей чувствительности этот
метод диагностики не имеет себе равных, естественно, что при
этом должна быть обеспечена надежная отстройка от внешних
электромагнитных помех.
1.1.1. Расчетные и нормируемые параметры
частичных разрядов.
Все имеющиеся в мире стандарты по измерению и анализу
частичных разрядов определяют некоторый набор первичных
и «интегральных» величин, которые могут непосредственно
измеряться или же рассчитываться во время проведения ис-
следований состояния изоляции. Стандарты разных стран,
описывающие эти параметры, различаются в деталях, но, в
основном, в параметрах частичных разрядов они совпадают.
В Европе используется стандарт МЭК-6270. Разработка своего
стандарта в России прошла несколько этапов, но утвержден-
ного текста еще нет.
При написании данной главы за основу (в плане использо-
вания терминологии) брался стандарт МЭК. Некоторые опре-
деления и понятия в тексте немного различаются с принятой в
этом стандарте терминологией, но это отражает только то, что
рассматриваются вопросы регистрации частичных разрядов
приборами, работающими в разных диапазонах частот, для
которых, что достаточно удивительно, существуют различные
определения и стандарты.
1.1.1.1. Параметры единичного «кажущегося»
частичного разряда.
Все стандарты по частичным разрядам базируются на очень
важном методическом понятии — «кажущийся частичный раз-
ряд». Под «кажущимся частичным разрядом» обычно понима-
ют такой заряд (в данном случае именно заряд, а не разряд!),
который необходимо мгновенно «инжектировать» в изоляцию
контролируемого оборудования, чтобы восстановить внутрен-
нее электромагнитное равновесие в изоляции, нарушенное
возникновением «внутреннего» частичного разряда (вот здесь
уже правильно говорится о разряде) в зоне дефекта. Еще раз
повторим суть — нужно извне внести в изоляцию оборудова-
ния некий заряд, чтобы компенсировать внутренний разряд
в зоне дефекта!
Это происходит после каждого частичного разряда внутри
изоляции оборудования, когда из питающей сети происходит
импульсная «подкачка энергии», необходимая для восста-
новления внутреннего распределения электрического поля,
искаженного разрядом. Именно этот электрический импульс
корректирующего заряда мы регистрируем при помощи наших
первичных датчиков, установленных «вокруг» черного ящи-
ка, которым нам представляется изоляция контролируемого
оборудования.
В этом определении очень важным является то, что мы
никогда не знаем точные параметры реального частичного
разряда в зоне дефекта, например, внутри газового включе-
ния. Мы всегда измеряем реакцию (заряд) контролируемого
высоковольтного объекта на возникновение внутри изоляции
ЧР. Разряд потому и называется «кажущимся», так как реаль-
но нам так только кажется, а истинное значение реального
частичного разряда в изоляции нам не известно. У нас нет
ни возможности, ни технических устройств для проведения
прямых измерений в зоне дефекта.
Из этого следует очень важное заключение. Регистрируемый
нами импульс, который мы считаем импульсом «частичного
разряда», конечно, имеет связь с параметрами произошедшего
внутри частичного разряда, но во многом, а можно сказать и
практически полностью, сформирован внутренними электро-
магнитными параметрами контролируемого объекта, особенно
в зоне дефекта. На параметры регистрируемого прибором им-
пульса оказывают влияние не только сам разряд в изоляции,
но и многие другие факторы: геометрические размеры объекта,
его внутренние электромагнитные связи, индуктивности,
емкости, место возникновения дефекта, удаление первичного
датчика от зоны дефекта и т.д.
Тем не менее поскольку возможности проведения прямых
измерений у нас нет, а определенная корреляция корректи-
рующего заряда с параметрами самого частичного разряда
есть, на практике эти понятия обычно подменяются. Именно
по этой причине всегда следует говорить, а как минимум пом-
нить о том, что на практике всегда производится регистрация
и анализ «кажущихся», а не истинных частичных разрядов в
изоляции высоковольтного оборудования.
Методическое уточнение.
Все написанное выше справедливо только в том случае,
когда измерения частичных разрядов мы производим при по-
мощи «контактных электромагнитных датчиков» — высоко-
частотных трансформаторов тока «RFCT» и конденсаторов
связи «СС».
Существуют еще два других способа регистрации частичных
разрядов - при помощи акустических датчиков регистрируется
акустическое излучение, а при помощи электромагнитных
антенн регистрируется электромагнитное излучение от ча-
стичного разряда. Очень важно понимать, что в обоих этих
случаях мы регистрируем реакцию объекта именно на сам
частичный разряд! При таких измерениях само понятие «ка-
жущийся частичный разряд» теряет смысл, это по своей сути
есть измерение «реального частичного разряда».
Однако такое внешне правильное толкование базовых тер-
минов не упрощает процесс измерения и понимания разрядных
процессов в изоляции, а наоборот, усложняет его. Самое глав-
ное, оно делает количественный анализ разрядных процессов
в изоляции невозможным. Определить амплитуду, мощность
или другой энергетический параметр регистрируемого частич-
ного разряда, используя акустический датчик или антенну,
практически нельзя.
Поскольку нам неизвестно реальное место возникновения
дефекта внутри изоляции, то невозможно определить сколько-
нибудь точное значение амплитуды разряда. Это возникает по
той причине, что нам неизвестно, каков коэффициент затуха-
ния акустического или электромагнитного сигнала на пути от
места возникновения до места установки первичного датчика.
Эффективных (прямых) способов калибровки акустических и
электромагнитных приборов измерения частичных разрядов
в настоящее время нет.
Именно по этой причине мы используем в качестве ба-
зовых элементов датчики трансформаторного и емкостного
типа, именно поэтому мы используем понятие «кажущийся
частичный разряд». Потому что только в этом случае возможно
проведение практического диагностирования состояния изо-
ляции на основании измерения интенсивности и распределе-
ния частичных разрядов.
Конец методического отступления.
Единственным корректным параметром, достаточно до-
стоверно описывающим частичный разряд («кажущийся ча-
стичный разряд»), является пикокулон (рК — единица заряда).
Этот параметр соответствует амплитуде импульса частичного
разряда. Для справки, чтобы понять связь величины заряда с
измеряемым током, напомним, что всегда величина электри-
ческого тока в любой электрической цепи пропорциональна
скорости изменения заряда.
В литературе встречаются и другие единицы измерения
интенсивности частичного разряда, например, милливольт,
а также некоторые другие. Однако все эти параметры явля-
ются вторичными, они возникли по причине использования
приборов регистрации частичных разрядов, работающих на
разных физических принципах.
Пользователи приборов с датчиками, работающими в диа-
пазоне частот от единиц до десятков мегагерц, часто исполь-
зуют оценку амплитуды частичных разрядов в милливольтах.
Это легко объясняется тем, что выходной сигнал частичных
разрядов этих датчиков (высокочастотных трансформаторов
и конденсаторов связи) выделяется на нагрузочном резисторе
и измеряется в мВ. Как мы напоминали выше, этот параметр,
прямо пропорциональный величине тока, протекающего через
нагрузочный резистор, определяется скоростью изменения
заряда в зоне дефекта, а не величиной самого разряда (заряда).
Здесь мы предоставим право читателю самому разобраться с
применимостью этого параметра на практике.
Если регистрация частичных разрядов производится с
использованием акустических датчиков, что возможно для
приборов, работающих в диапазоне частот до сотен килогерц,
то амплитуда частичных разрядов связана с акустическим
излучением. Если измерение производится приборами, ра-
ботающими в диапазоне сотен мегагерц, когда регистрирует-
ся электромагнитное поле от частичных разрядов, то могут
быть использованы единицы, описывающие напряженность
электромагнитного поля.
Все эти параметры частичных разрядов являются вторич-
ными, зависящими от используемых технических средств
регистрации. Еще раз скажем, что количественно единичный
импульс частичного разряда наиболее достоверно оценивается
в размерности заряда, в рК, что лучше всего соответствует
самому термину «частичный разряд».
Очень важными являются еще два параметра единичного
частичного разряда, которыми оперируют практически все
разработчики диагностического оборудования и практические
пользователи этого оборудования. Это частота и длительность
импульса частичного разряда. Определим смысл этих пара-
метров при помощи рисунка 1.1.
Во-первых, частота импульса частичного разряда. Не-
смотря на кажущуюся физическую простоту этого параме-
тра, применительно к теории частичных разрядов он может
иметь вариации. На рисунке 1.1. хорошо видно, что первый
фронт импульса зарегистрированного импульса достаточно
крутой, но уже после первого максимума сигнал «спадает»
Рис. 1.1. Основные параметры единичного
частичного разряда.
по более пологой кривой, которая постоянно меняет свою форму.
В самом же конце импульса мы имеем затухающие колебания
с более высокой частотой.
Что принять в данном случае за частоту импульса частич-
ного разряда: начало, середину или окончание импульса? Оче-
видно, что эти параметры могут различаться в практических
случаях многократно в несколько раз, что хорошо иллюстри-
рует приведенный рисунок.
Необходимо попытаться кратко пояснить физическую
картину данного процесса. Очевидно, что первоначально
импульс частичного разряда возникает непосредственно в
зоне дефекта. Далее импульс распространяется электромаг-
нитным или электрическим способом в окружающий объ-
ем, который также имеет свои электромагнитные свойства,
отличные от свойств зоны дефекта. Различие свойств этой
окружающей зоны приводит к появлению в регистрируемом
сигнале колебаний с другой резонансной частотой. В конечном
итоге импульс может затухнуть на еще большем удалении от
места возникновения от зоны дефекта, например, это может
произойти уже в элементах конструкции оборудования. Нет
необходимости подробно описывать, что частотные свойства
этих сред также имеют свои резонансные свойства, причем,
что самое важное, с частотными свойствами зоны дефекта
они никак не связаны.
Мы автоматически приходим к выводу, что непосредственно
к частоте импульса частичного разряда в зоне дефекта имеет
отношение только его передний фронт, который в наибольшей
мере соответствует частотным свойствам разряда. Все осталь-
ное в сигнале относится к электромагнитным свойствам среды
вокруг зоны дефекта, и чем больше времени прошло с момента
возникновения импульса, тем больший объем вокруг дефекта
вовлечен в процесс колебаний, тем больше частот может быть
«смешано» в сигнале.
Если это так, то истинная частота импульса частичного раз-
ряда максимально достоверно может быть определена только
параметрами переднего фронта импульса, что полностью со-
ответствует использованию математического выражения:
р=—-—
г 4*Т1
Согласно этому выражению, величину «длительности одно-
го периода импульса частичного разряда» можно определить
как длительность переднего фронта импульса, умноженная на
четыре. Данное определение не нужно путать с другим, более
общим параметром, тоже часто используемым, называемым
«длительностью импульса частичного разряда». Этот параметр
мы определим иначе.
Во-вторых, общая «длительность импульса частичного
разряда». С расчетом этого параметра импульса частичного
разряда дело обстоит существенно проще. Для этого необхо-
димо только принять решение о моменте времени, который
следует считать окончанием импульса частичного разряда.
Дело в том, при медленном затухании импульса в определении
этого параметра может быть большой произвол.
Проще всего принять решение, что импульс частичного раз-
ряда можно считать оконченным, завершившимся в тот момент
времени, когда его амплитуда станет меньше значения в 10%
от максимальной амплитуды данного сигнала. Ограничение
в 10% является условным, это может быть и 5%, но именно
10% наиболее просто использовать на практике. При мень-
ших значениях этого параметра окончание процесса труднее
определить, в большей степени сказывается шум.
Таким образом, можно сказать, что каждый импульс ча-
стичного разряда характеризуется тремя параметрами. Это:
- «Q» — величина кажущегося заряда, количественно про-
порциональная максимальной амплитуде импульса;
- «F» — частота импульса частичного разряда, количествен-
но обратно пропорциональная длительности первого фронта
импульса, умноженной на четыре;
- «Т» — длительность импульса частичного разряда, опреде-
ленная по уровню 10% от максимального значения импульса.
1.1.1.2. Параметры, учитывающие повторяемость
импульсов частичных разрядов.
Для большого количества пользователей исторически наи-
более важной оценочной характеристикой состояния изо-
ляции является «максимальный измеренный заряд». Почти
все изготовители высоковольтного оборудования до сих пор
пользуются этим параметром частичных разрядов (если вообще
чем-то пользуются) при приемных испытаниях.
Конечно, все понимают, что параметры частичных разря-
дов нужно измерять, причем необходимо использовать что-то
статистически достоверное. В старых приборах статистика
задается временем усреднения, а в современных приборах это
решается удалением из рассмотрения случайных одиночных
выбросов. Например, в определении американского стандарта
это звучит так: «амплитуда наибольшего повторяющегося раз-
ряда при наблюдении постоянных разрядов».
Следовательно, этот термин нс предусматривает анализа
отдельных выбросов. Чтобы сделать это определение более
конкретным, ограничимся учетом только тех ЧР, которые
повторяются не менее 10 раз за секунду. В нашем случае при
частоте питающей сети в 50 герц мы получаем, что один им-
пульс должен быть зарегистрирован не реже, чем один раз на
5 периодов сети. Для удобства пользования этот термин будем
брать в следующей формулировке: импульс ЧР будем считать
периодически повторяющимся, если частота его следования
составит 0,2 импульса на один период питающей сети. Далее
в тексте этот параметр будет отображаться величиной Q02. Для
удобства пользования будем определять его одинаково для
любой частоты сети, 50 и 60 герц.
Ценность этого параметра достаточно высока. Многие мето-
ды диагностики базируются на нем, хотя, как отдельно взятый
параметр, он скорее плохой, чем хороший, по крайней мере,
при постоянном мониторинге под рабочим напряжением. Мы
имеем много оборудования, где большие (по амплитуде) ЧР
живут успешно годами, а малые, но с большой частотой по-
вторения, означают реальную проблему.
Если сложить все заряды, зарегистрированные в оборудова-
нии за определенный интервал времени, и отнести их к этому
интервалу, то получится ток частичных разрядов. Это вытекает
из классического определение электрического тока, где гово-
рится, что величина тока определяется скоростью изменения
заряда объекта в единицу времени. Очень важно понимать,
что ток от частичных разрядов является чисто активным, так
как характеризует необратимые процессы преобразования
энергии в изоляции оборудования.
Из этого важного заключения вытекает еще одно, может
быть, даже более важное. Всем известно, что параметры изо-
ляции оборудования, определенные при рабочем напряжении,
могут значительно отличаться от тех же параметров, определен-
ных при пониженном, испытательном напряжении. Первопри-
чина этого различия очень проста — при пониженном напряже-
нии частичные разряды в изоляции (обычно) не возникают, в
результате активные потери в изоляции оказываются меньше.
В конечном итоге тангенс угла потерь изоляции, измеренный
при рабочем напряжении, может оказаться больше, чем из-
меренный при пониженном напряжении. При повышении
напряжения появляется активный ток частичных разрядов,
который и увеличивает значение тангенса угла потерь.
Таким образом, мы можем определить косвенный способ
определения наличия частичных разрядов в изоляции. Для
этого достаточно экспериментально определить величину
тангенса угла потерь изоляции объекта, используя различные
напряжения: от пониженного до номинального значения или
даже большего. Если различия между ними не будет, то можно с
большой долей уверенности утверждать об отсутствии частич-
ных разрядов в рабочих режимах. Если такие различия будут,
то чаще всего это вызвано наличием дефектов в изоляции,
проявляющихся только под рабочим напряжением. Это очень
достоверный тест состояния высоковольтной изоляции.
1.1.1.3. Энергетические параметры частичных
разрядов от дефекта.
Предыдущие рассуждения о влиянии тока частичных раз-
рядов можно было перенести в данный раздел, он тоже касается
энергетической стороны проявления частичных разрядов в
изоляции. Но поскольку это не так очевидно, здесь мы рас-
смотрим другие параметры разрядов, на наш взгляд более от-
носящиеся к данному названию подраздела.
Зададимся вопросом, как посчитать потери, вызванные
частичными разрядами. Это очень важный параметр, так как
именно он, и только он, позволяет максимально точно опреде-
лить разрушающее влияние частичных разрядов на зону изо-
ляции, расположенную вокруг дефекта, определить, насколько
быстро дефект может развиваться.
При этом нужно помнить вышесказанное. Параметры
разряда, инжектирующегося в объект из питающей сети, ко-
торые мы измеряем, отличаются от параметров «истинного»
частичного разряда, возникающего в изоляции. Однако с
энергетической точки зрения, инжектируемая извне энергия
количественно равна реальной энергии, выделяемой в зоне
дефекта. Это не «кажущаяся» энергия, а «почти честная» энер-
гия, количественно равная энергии разрушения в зоне дефекта.
Законы сохранения энергии никто не отменял.
Теоретически подсчитать вводимую в зону дефекта энер-
гию не сложно, ведь физически при каждом импульсе ЧР мы
дополнительно впрыскиваем из источника испытательного
напряжения в контролируемый объект «кажущийся» заряд.
Заряд в контролируемый объект инжектируется мгновенно и
непосредственно связан с конкретным мгновенным напряже-
нием питающей сети, т.е. с фазовым углом питающего напря-
жения сети. Это обозначает, что величина энергии, которая
дополнительно вводится в оборудование и выделяется в зоне
дефекта, равна заряду, умноженному на мгновенное значение
приложенного напряжения.
Далее нужно просуммировать все импульсы и получить
полную энергию частичных разрядов. Если полную энергию
поделить на полное время суммирования, то получим мощ-
ность частичных разрядов. Этот параметр обычно называется
«потери энергии на частичные разряды». Он определяется
выражением:
т
p=i^Qixvh
1
где:
Р — мощность разрядов, W,
Т— время наблюдения, сек,
т — число наблюдаемых импульсов за время Т,
QiVi — энергия i-ro импульса.
Вполне очевидно, что, базируясь на фазовом распределе-
нии импульсов ЧР, можно рассчитать мгновенное значение
приложенного напряжения, конечно, если фазовая привязка
импульсов выполнена правильно и достоверно рассчитана мощ-
ность. Однако совсем не все приборы регистрируют фазовое
распределение импульсов. Дело даже еще сложнее, ведь мы
можем регистрировать импульсы, наведенные с одной или двух
других фаз контролируемого объекта фазным или линейным
напряжением. Какое мгновенное значение напряжения следует
брать в таком случае для определения энергии, с какой фазы?
Для решения этого вопроса в некоторых стандартах пред-
лагается использовать еще один диагностический (энергетиче-
ский) параметр, который чаще всего называют «PDI» - «Partial
Discharge Intensity» — интенсивность частичных разрядов. В
этом параметре вместо мгновенного напряжения в момент
прохождения импульса частичного разряда берется его дей-
ствующее значение, т.е. принимается одинаковое напряжение
для всех импульсов, а не персональное для каждого. Проводя
сравнительные расчеты, можно убедиться, что итоговое раз-
личие параметров, рассчитанных в первом и во втором случаях,
лежит в пределах 20%. Этого вполне достаточно, чтобы вполне
корректно оценить энергетическое воздействие частичных
разрядов на изоляцию. Параметр «PDI» является одним из
основных, используемых нами для оценки интенсивности
частичных разрядов в контролируемом объекте.
В литературе и даже в некоторых национальных стандар-
тах используются и другие энергетические оценки влияния
частичных разрядов. Мы не будем вступать в ненужную дис-
куссию, в которой бы старались принизить влияние этих па-
раметров. При правильном использовании они также (и тоже)
полезны для практической диагностики. Оставим этот вопрос
на рассмотрение нашим читателям.
1.1.1.4. Нормирование параметров частичных разрядов.
Это, наверное, самый сложный и неоднозначный вопрос,
всегда возникающий при практическом использовании метода
оценки состояния изоляции по частичным разрядам. Какое
же количественное значение интенсивности частичных раз-
рядов соответствует хорошему состоянию изоляции? Какова
величина тревожного порога, а какое значение соответствует
критическому состоянию изоляции?
Мы вынуждены разочаровать читателей, точного и всегда
однозначного ответа о допустимых количественных значе-
ниях параметров частичных разрядов не существует. Точно
можно ответить на этот вопрос только при регистрации очень
больших уровней высокочастотных импульсов, когда уже на
самом деле состояние изоляции очень плохое. Причем даже
это значение у различных типов изоляции (т.е. у различных
типов оборудования) может различаться в десятки раз.
Причина неоднозначного соответствия регистрируемо-
го уровня частичных разрядов реальному состоянию изо-
ляции контролируемого объекта заключается в том, что все
высоковольтное оборудование имеет очень много всевозмож-
ных различий и особенностей. Основными из них являются:
- Одно и то же значение сигнала на выходе датчика может
соответствовать амплитуде разряда, отличающейся много-
кратно, все зависит от удаления зоны разряда отдатчика.
Чем больше это расстояние, тем больше ослабляется импульс.
Величина ослабления внутри одного контролируемого объекта
может варьироваться от единиц до десятков раз.
- Рабочее напряжение контролируемого высоковольтного
оборудования может существенно различаться.
- Оборудование даже одного рабочего напряжения имеет
очень много типов, марок, часто имеющих большие конструк-
тивные отличия.
- Даже однотипное оборудование может иметь различный
срок эксплуатации, что также сказывается на нормировании
интенсивности частичных разрядов. Парадоксально, но даже
год выпуска оборудования может влиять на это. Малейшие
отличия в технологии производства оборудования, которых
всегда бесконечно много, сказываются на величине допусти-
мого уровня частичных разрядов в абсолютно одинаковом
оборудовании, но выпущенном в разные годы.
Чаще всего в литературе существуют только рекоменда-
ции о предельных уровнях частичных разрядов, часто очень
больших. Это максимум, на что можно ориентироваться при
практической, если можно так сказать, мгновенной экспер-
тизе, проводимой по результатам одного измерения, в оценке
технического состояния изоляции.
Лучше дело обстоит в том случае, когда осуществляется
мониторинг состояния изоляции по уровню и распределению
частичных разрядов. Под мониторингом здесь понимается не
только использование стационарных систем контроля ЧР, но и
проведение периодических измерений параметров частичных
разрядов переносными приборами — периодический мони-
торинг. При этом важно только одно — необходимо получить
максимально достоверную информацию о том, меняется ли
интенсивность частичных разрядов с течением времени или
не меняется. В процессе проведения мониторинга ЧР необхо-
димо также контролировать дополнительные технологические
параметры, которые могут влиять на интенсивность частич-
ных разрядов в изоляции контролируемого высоковольтного
оборудования.
Наибольший интерес представляет мониторинг инте-
гральных параметров частичных разрядов — «PDI» и «Q02».
Наличие временного тренда в изменении этих параметров
ЧР практически однозначно говорит о наличии проблем в
изоляции. Изменение интенсивности частичных разрядов
в три-четыре раза за один год наблюдения или скачок в два
раза обозначает, что в изоляции оборудования имеет место
развивающийся дефект.
1.1.2. Частотный диапазон измерительной
аппаратуры.
Одним из наиболее важных вопросов, возникающий при
проведении диагностики состояния изоляции по частичным
разрядам, является выбор диапазона частот, в котором пред-
полагается проводить измерения параметров частичных раз-
рядов. В этом вопросе в рекомендациях различных фирм —
изготовителей диагностического оборудования — существует
очень широкий разброс в параметрах этого диапазона частот,
от десятков килогерц до единиц гигагерц.
В реально сложившейся практике измерения частичных
разрядов весь диапазон частот обычно разбивается на три бо-
лее узких диапазона. В литературе можно встретить и другие
градации диапазонов частот и их границ, однако этот вопрос
не является принципиальным, он просто отражает частное
мнение отдельных производителей диагностического обору-
дования. Понятно, что эти различия носят условный характер
и не вносят в технику измерений никаких глобальных и даже
локальных ограничений.
Определим эти три диапазона частот, в которых можно
проводить измерения частичных разрядов в изоляции, сле-
дующим образом:
- Низкочастотный диапазон — «LF» — «Low Frequency».
Отнесем в него частоты от 20 до 500 кГц, иногда до 700 кГц.
В этом диапазоне для регистрации частичных разрядов обычно
используются акустические датчики, в основном работающие
на пьезоэффекте. Эти датчики монтируются непосредственно
на поверхности контролируемого оборудования, или же они
улавливают акустическое излучение на некотором удалении
от объекта, по воздуху.
- Высокочастотный диапазон частот регистрации частичных
разрядов — «HF» — «High Frequency». Кэтому диапазону частот
следует отнести частоты от 0,5 до 80 МГц. Для регистрации
импульсов ЧР в этом диапазоне частот используются различ-
ные высокочастотные трансформаторные и конденсаторные
датчики. Для удобства пользования, как мы уже говорили
выше, определим эти датчики как «контактные электромаг-
нитные датчики». Такие датчики всегда гальванически или
электромагнитно связаны с электрическими цепями контро-
лируемого оборудования. Трансформаторные высокочастотные
датчики монтируются в цепях заземления оборудования, а
конденсаторы связи обычно непосредственно подключаются
к высоковольтным цепям.
- Сверхвысокочастотный диапазон — «UHF» — «Ultra High
Frequency». Обычно к этому диапазону относят частоты от 100
МГц и до 2 — 3 ГГц. Основными датчиками в этом диапазо-
не являются широкодиапазонные (бесконтактные) антенны
различного типа. Они позволяют регистрировать электро-
магнитное излучение от частичных разрядов в изоляции, но
обычно только в зоне прямой видимости.
Причина возникновения проблемы, заключающейся в
неоднозначности выбора диапазона частот для регистрации
частичных разрядов, достаточно проста. Каждый частичный
разряд генерирует электромагнитное излучение очень широко-
го диапазона частот. Есть только одно реальное ограничение
в этом вопросе — максимальная частота в спектре излучения
(от частичного разряда) определяется крутизной переднего
фронта импульса, возникшего непосредственно в зоне дефекта.
Чем короче (круче) этот фронт, тем в более высокочастотной
зоне можно обнаружить излучение от частичного разряда. В
окружающей среде этот импульс может «раззвониться» по
частоте, но при этом частота может только уменьшаться, но
не увеличиваться. Это ограничение можно сформулировать
иначе: максимальная частота в спектре электромагнитного
или иного излучения от частичного разряда определяется ча-
стотой первого импульса в сигнале. Подробно физику этого
вопроса мы рассматривать не будем, оставив для анализа на-
шему читателю.
Вопрос выбора оптимального частотного диапазона для
проведения измерений ЧР неоднозначен, в нем есть несколько
противоположных аспектов, но без его решения трудно быть
уверенным в достоверности конечных диагнозов. Конечно, и
мыв данной работе не сможем дать однозначный ответ на этот
вопрос «на все случаи жизни», но некоторые особенности вы-
бора диапазона попробуем рассмотреть ниже. Их несколько.
1.1.2.1. Влияние типа контролируемого оборудования
и используемых датчиков ЧР на выбор
диапазона частот.
Самым первым вопросом, влияющим на выбор частотного
диапазона оборудования для измерения частичных разря-
дов, является тип высоковольтного оборудования, в котором
предполагается контролировать состояние изоляции. Для
каждого типа оборудования применяются свои датчики или
специфический набор из них, соответственно выбирается
диапазон частот для регистрации информации о частичных
разрядах, т.е. используется определенное диагностическое
оборудование.
- Если используемое диагностическое оборудование оснаще-
но акустическими датчиками частичных разрядов, работающих
в диапазоне частот от 20 до 500 кГц, диапазон частот «LF», то
такое диагностическое оборудование предполагается использо-
вать в совершенно определенных случаях. Его, в первую очередь,
нужно использовать для диагностики состояния изоляции для
различного маслонаполненного оборудования. Это могут быть
маслонаполненные трансформаторы различного исполнения,
силовые и измерительные. Измерение частичных разрядов в
этом оборудовании производится на поверхности бака обо-
рудования контактным способом при помощи акустического
щупа или магнитного крепления. Причиной использования
акустических датчиков диапазона «LF» для такого оборудования
является наличие хорошего акустического контакта через изо-
лирующее масло между возможной зоной дефекта в изоляции
и поверхностью бака контролируемого оборудования.
По аналогичной причине акустические датчики могут быть
использованы для контроля состояния изоляции элегазового
оборудования. В этом же диапазоне частот можно проводить
регистрацию частичных разрядов в соединительных кабель-
ных муфтах.
Акустические датчики могут быть использованы и для
бесконтактной, дистанционной регистрации частичных раз-
рядов в различном оборудовании. Такие измерения могут
проводиться практически для любого типа высоковольтно-
го оборудования, в котором необходимо провести экспресс-
диагностику состояния изоляции. В таких диагностических
приборах используются специализированные акустические
датчики (микрофоны), работающие в диапазоне частот от 20
до 100 килогерц.
- Если для контроля состояния оборудования предполага-
ется использовать емкостные, или трансформаторные датчики
частичных разрядов (контактные электромагнитные датчики),
то в этом случае предпочтительным является высокочастотный
диапазон частот, называемый «HF». Этот диапазон включает в
себя частоты от долей до нескольких десятков мегагерц.
При использовании емкостных датчиков (конденсаторов
связи) регистрируемые частоты частичных разрядов обычно
больше, чем при использовании трансформаторных датчиков.
Это объясняется тем, что чем выше частота регистрируемого
импульса, тем выше чувствительность емкостных датчиков.
Для трансформаторных же датчиков картина обычно противо-
положная. Они рассчитаны на работу в определенном диа-
пазоне частот, который обычно зависит от частотных свойств
сердечника датчика и редко превышает 10—15 МГц.
Контактные датчики частичных разрядов этого диапазона
частот обычно монтируются или в высоковольтных цепях пи-
тания контролируемого оборудования (конденсаторы связи),
или же на заземляющих цепях (высокочастотные измеритель-
ные трансформаторы). Сфера применения таких датчиков
очень велика: они могут быть использованы для регистрации
частичных разрядов в трансформаторах, электрических ма-
шинах, кабельных линиях и т.д.
Разновидностью этого метода является «измерение рас-
текания токов частичных разрядов по поверхности корпусов
высоковольтного оборудования». Он работает в том же частот-
ном диапазоне «HF», использует такие же конденсаторные и
емкостные датчики, но имеет различия в идеологии работы
измерительной схемы. Метод базируется на том, что часть
энергии импульсов частичных разрядов замыкается по кон-
структивным элементам контролируемого высоковольтного
оборудования, по поверхности баков, защитным корпусам.
Условно говоря, в этом методе диагностики все базируется на
предположении, что токи от частичных разрядов «стекают» по
конструктивным элементам оборудования на землю.
В этом методе существуют две основные измерительные
схемы. Во-первых, при помощи щупа производится измерение
распределения высокочастотных импульсов по поверхности,
например, на боковых щитах генераторов, на поверхности бака
трансформатора. Второй конец провода от щупа заземляется,
на провод необходимо надеть высокочастотный трансформатор
тока типа RFCT, с которого снимается сигнал, пропорцио-
нальный частичным разрядам в объекте.
Во-вторых, к поверхности контролируемого оборудования
через прокладку нормированной толщины прикладывается
плоский электрод, который выполняет функции второй об-
кладки конденсатора связи.
Измерение частичных разрядов в этом методе проводится в
том же диапазоне частот, до 80 МГц. Поэтому мы отнесли дан-
ный метод к группе «HF». В России этим методом больше всего
занимается фирма «ДИАКС». За рубежом такие емкостные
датчики часто использует фирма «1РЕС». Метод внешне прост
и нагляден, но по ряду своих особенностей имеет минималь-
ные возможности по защите от импульсных помех. По данной
причине этот метод по мере развития и совершенствования
других методов регистрации частичных разрядов имеет все
меньшее практическое применение.
- Если оценка технического состояния изоляции высоко-
вольтного оборудования будет производиться только на осно-
вании анализа электромагнитного излучения от частичных
разрядов бесконтактным способом, то регистрация импульсов
частичных разрядов будет производиться в UHF-диапазоне
частот. Этот диапазон, по информации большинства произ-
водителей диагностического оборудования, включает в себя
частоты от 0,1 до 2,0 ГГц. Некоторые из разработчиков вклю-
чает в него и более высокие частоты.
Измерение параметров частичных разрядов в этом диа-
пазоне частот производится при использовании в качестве
первичных датчиков антенн различного типа. Для отличия
от других методов все эти антенны можно называть общим
термином — «бесконтактные электромагнитные датчики —
антенны».
Применяется этот метод регистрации частичных разрядов
в UHF-диапазоне частот для диагностики изоляции такого
оборудования, у которого наиболее удобные места установки
первичных датчиков обычно находятся под высоким потен-
циалом. Чаще всего это происходит в измерительных транс-
форматорах напряжения и тока или на токоведущих деталях
оборудования других типов. Или же внутри корпуса (бака)
оборудования располагается среда, плохо проводящая аку-
стические сигналы, например, в вакуумном оборудовании.
Активное развитие аппаратуры для измерения частичных
разрядов, работающей в этом диапазоне частот, связано с необ-
ходимостью контролировать состояние изоляционных систем
в элегазовом оборудовании.
Третьей сферой применения диагностического UHF-
оборудования является проведение оперативного обследова-
ния состояния изоляции больших энергетических объектов,
например, подстанций различного назначения, включающих
в себя большое количество высоковольтных объектов. При по-
мощи одного переносного прибора и направленной антенны
(или фазированной группы антенн) можно быстро и доста-
точно достоверно оценить техническое состояние изоляции
всех этих объектов, оперативно выявив источник электро-
магнитного излучения от частичных разрядов с максимальной
интенсивностью.
1.1.2.2. Влияние частотного диапазона измерительного
оборудования на величину «зоны
чувствительности» датчика.
Существует достаточно корректная связь между частотой
высокочастотного импульса от частичного разряда и зоной
его распространения в оборудовании. Чем выше частота этого
высокочастотного импульса, тем с большей интенсивностью
он затухает в неоднородной комплексной среде, в виде которой
удобно представлять все высоковольтные машины и аппа-
раты. Это простое и понятное правило имеет очень большое
значение для диагностики состояния изоляции по частичным
разрядам, для выбора оптимального частотного диапазона
измерительного оборудования.
Существует и второе определение этого диагностического
правила, вернее говоря, его следствия. Оно гласит: чем ниже
частота высокочастотного импульса, тем на большее расстоя-
ние такой сигнал распространится внутри контролируемого
объекта. Соответственно, более высокочастотный импульс с
меньшей вероятностью достигнет места, где установлен пер-
вичный датчик регистрации частичных разрядов.
Для примера рассмотрим статор крупной электрической
машины, для контроля частичных разрядов в котором наи-
более часто используют высокочастотные конденсаторы связи,
подключаемые к внешним клеммам обмотки статора. Если
частичный разряд возникает вблизи внешних клемм обмот-
ки, то проблем с регистрацией этого импульса нет. Если же
частичный разряд, пусть даже такой же интенсивности, воз-
никнет на «противоположной» части обмотки, вблизи ней-
тральной точки обмотки, то этот импульс будет иметь в зоне
нашего датчика существенно пониженную амплитуду. Это
может ввести пользователя диагностического оборудования
в опасное заблуждение, ему может показаться, что изоляция
обмотки статора находится в хорошем состоянии.
Снижение амплитуды импульса, возникающее за счет за-
тухания сигнала в обмотке, может быть столь значительным,
что его даже не удастся зарегистрировать прибором из-за на-
личия шума значительной амплитуды. Для устранения этой
проблемы, для повышения чувствительности измерительной
схемы в обмотке статора придется устанавливать дополнитель-
ные датчики, которые позволят регистрировать импульсы с
удаленной части обмотки статора. Естественно, это приведет
к значительному удорожанию системы регистрации импуль-
сов частичных разрядов, потому что цена высоковольтных
датчиков низкой не бывает.
Кроме того, частота зарегистрированного импульса частич-
ного разряда за счет затухания внутри обмотки значительно
снизится. Реально это выразится в затягивании переднего
фронта импульса. На практике это приведет к тому, что им-
пульсы от одинаковых частичных разрядов, но возникших в
разных частях обмотки, диагностом, проводящим измерения,
будет интерпретироваться как импульсы различной интенсив-
ности и частоты со всеми вытекающими отсюда логическими
(и практическими!) последствиями.
Данный эффект легко можно проверить в процессе про-
ведения калибровки измерительной цепи статора электри-
ческой машины при помощи калибровочного генератора.
Рис. 1.2. Влияние места возникновения частичного
разряда на форму регистрируемого импульса.
Для этого необходимо калибровочный импульс инжектировать
поочередно в начало обмотки и в нейтральную точку обмотки
статора и определять при этом чувствительность измеритель-
ной схемы. При этом можно достаточно точно определить
количественное значение коэффициента затухания частичных
разрядов в обмотке.
Получив реальное значение коэффициента затухания им-
пульсов в обмотке, можно принять решение, допустима ли
такая погрешность измерения частичных разрядов (разница
в амплитудах и есть погрешность измерения). Если разница
в чувствительности составит до 20—30%, то с такой погреш-
ностью, наверное, можно согласиться. Если чувствительно-
сти будут различаться в несколько раз, то для практических
измерений это недопустимо. Ценность таких измерений не-
велика.
Отсюда следует простой диагностический признак, иногда
оказывающийся практически полезным при оценке вероятного
места возникновения дефекта в изоляции. Чем более высоко-
частотным является зарегистрированный импульс, тем ближе
к датчику располагается зона его возникновения. На практике
влияние формы импульса будет выражаться следующим обра-
зом: чем круче передний фронт импульса частичного разряда,
тем ближе к датчику он находится.
Примером данных теоретических рассуждений являются
графики, приведенные на рисунке 1.2. На этом рисунке в ка-
честве примера приведена условная кабельная линия опреде-
ленной длины, на которой указаны три места возникновения
частичных разрядов, причем одинаковой природы возник-
новения и интенсивности. Чем ближе к первичному датчику
находится зона возникновения частичного разряда, тем круче
оказывается передний фронт регистрируемого импульса. Кро-
ме того, по мере удаления зоны дефекта отдатчика, снижается
амплитуда регистрируемого импульса.
Сразу же возникает важный вопрос. Очевидно, что для каж-
дого типа первичного датчика существует своя зона реальной
чувствительности, в которой его использование не приводит
к большой погрешности измерений. Сам вопрос звучит так:
каковы же размеры практической зоны «ответственности»
каждого датчика?
За этим вопросом автоматически следует второй: если зона
чувствительности данного датчика не захватывает весь объем
контролируемого оборудования, то сколько же всего нужно
таких датчиков, чтобы снять это ограничение? Понятно, что
чем меньше нужно датчиков для проведения практически
достоверных измерений частичных разрядов в изоляции, тем
это лучше.
Мы подошли к самому важному вопросу: какие же датчики
лучше, какие датчики имеют большую зону контроля частич-
ных разрядов в изоляции? Ответ здесь прост: чем ниже рабочая
частота датчика при прочих равных условиях, тем шире его
«зона ответственности». В наибольшей мере информативны
датчики серии RFCT (Radio Frequency Current Transformer),
которые работают в достаточно широком диапазоне частот и
позволяют контролировать частичные разряды во всем объеме
высоковольтного оборудования. Конденсаторы связи марки
СС (Coupling Capacitors) выделяют импульсы в более высо-
кочастотном диапазоне. Поэтому зона их чувствительности
существенно меньше.
Почему весь вопрос свелся к сравнению этих двух типов
датчиков? Просто они работают в близких частотных диапа-
зонах, чаще всего используются для регистрации частичных
разрядов в изоляции статорной обмотки электрических машин.
А еще потому, что в литературе чаще всего спорят о том, какой
именно из этих двух датчик лучше. Еще раз скажем, что одно-
значного ответа на этот вопрос нет.
Завершить эти достаточно отрывочные рассуждения сле-
дует рассмотрением еще одного аспекта, влияющего на выбор
частотного диапазона регистрации частичных разрядов. Он
касается UHF-диапазона частот, в котором работают датчики
электромагнитного излучения. Чем выше рабочая частота
датчиков, тем больше они зависят от наличия препятствий на
пути между зоной дефекта и измерительной антенной. Нужно
хорошо понимать, что эти датчики работают хорошо только
в том случае, когда потенциальная зона дефекта «оптически»
видна и на нее направлен датчик-антенна. В идеальном случае
зона потенциального дефекта не должна быть экранирована
в направлении датчика-антенны элементами конструкции, а
также другим оборудованием.
1.1.2.3. Связь рабочего диапазона частот датчика
с диапазоном частот, в котором помехи имеют
максимальную интенсивность.
Важным параметром, влияющим на выбор оптимально-
го диапазона частот схемы измерения частичных разрядов,
является частотное распределение высокочастотных помех
в контролируемом оборудовании. В идеальном случае жела-
тельно проводить измерения частичных разрядов в том диа-
пазоне частот, где влияние помех минимально. Понятно, что
об этом можно только мечтать, так как обычно и помеха, и
полезный сигнал сосредоточены в одной частотной области,
параметры которой почти полностью определяются типом
контролируемого оборудования.
Тем не менее, в ряде случаев такой селективный подход
к выбору частотного диапазона для регистрации частичных
разрядов дает положительный эффект. Рассмотрим наибо-
лее характерные случаи, когда правильный выбор диапазона
частот позволяет существенно снизить уровень помех при
регистрации частичных разрядов.
А. Хорошо известно, что наиболее опасными и трудно устра-
нимыми помехами, имеющими место в трансформаторном
оборудовании, являются импульсы от коронных разрядов.
Они существуют в любом высоковольтном оборудовании,
работающем под напряжением больше 100—150 кВ, однако
именно при проведении измерений частичных разрядов в
трансформаторном оборудовании бороться с ними наиболее
сложно. Они могут превышать сигналы частичных разрядов
по амплитуде в сотни раз.
Автор сталкивался с практическим случаем, когда уровень
импульсов коронных разрядов в трансформаторе превышал
уровень импульсов от частичных разрядов (вызванных опас-
ным дефектом в изоляции первичной обмотки) в 400 раз! Это
означает, что для проведения корректных измерений и диа-
гностики существующего дефекта необходимо было подавить
уровень помех минимум в 1000 раз, что практически нереально
в том частотном диапазоне, в котором проводились эти прак-
тические измерения частичных разрядов.
Не будем сейчас вдаваться в физические подробности, опи-
сывающие особенности возникновения коронных разрядов,
их влияние на частотный диапазон, которые будут приведены
ниже, в разделе, относящемся к описанию помех при измере-
нии частичных разрядов. В данном случае вспомним только,
что реальная частота импульсов от коронных разрядов реально
не превышает значение в 200—300 МГц, это определяется при-
родой возникновения этих разрядов.
Вполне очевидно, что если измерительная аппаратура, пред-
назначенная для регистрации частичных разрядов в транс-
форматорном оборудовании, будет работать в более высоко-
частотном диапазоне, например, свыше 400 МГц, то влияние
высокочастотных импульсов от коронных разрядов на точность
диагностики будет мало. Можно даже говорить о том, что их
влияние будет отсутствовать полностью.
В. Несколько иначе обстоит дело в случае, когда предполага-
ется регистрировать частичные разряды, возникающие в обмотке
статора электрической машины, которая подключена к питаю-
щей сети при помощи достаточно длинной кабельной линии.
Если мы установим датчики ЧР (конденсаторы связи) на
входных зажимах обмотки, то мы с равным успехом будем
регистрировать импульсы частичных разрядов двух типов.
Это будут импульсы, возникшие внутри изоляции обмот-
ки, параметры которых нас очень интересуют, и импульсы,
пришедшие к датчику извне, из питающей сети, по высоко-
вольтному кабелю, которые нам совсем не интересны. По этой
причине вся диагностика сведется к попыткам разделить эти
импульсы друг от друга.
Для описания частотного способа отстройки от помех в
этом случае нам необходимо вернуться к рисунку 1.2. Пред-
ставим, что статор электрической машины подключен клево-
му концу кабельной линии, на поводке заземления которого
смонтирован трансформаторный датчик типа RFCT, или там
установлены три конденсатора связи (на рисунке их нет).
Анализируя рисунок, достаточно просто прийти к выво-
ду, что импульсы, возникшие в обмотке статора, будут более
высокочастотными, чем импульсы, пришедшие из сети по
питающему кабелю. Следствием этого является то, что чем в
более высокочастотном диапазоне мы будем регистрировать
импульсы частичных разрядов, тем меньше будет влияние
внешних помех. При этом нужно понимать, что чувствитель-
ность конденсаторных датчиков с ростом частоты импульсов
тоже возрастает.
Увеличение частотного диапазона прибора в большую сто-
рону имеет и свои недостатки. С ростом частоты импульсов
частичных разрядов увеличивается их затухание в пазах ста-
тора, что снижает чувствительность измерительной схемы.
Положительное влияние увеличения частотного диапазона
измерительного прибора при использовании конденсаторов
связи имеет свои ограничения, везде нужен разумный ком-
промисс.
1.1.2.4. Частотные диапазоны, в которых
работает диагностическое оборудование
различных фирм-производителей.
Наряду с приведенными выше объективными причинами,
влияющими на выбор используемого в приборах частотного
диапазона для регистрации частичных разрядов, существуют и
субъективные причины, влияние которых на выбор параметров
диагностической аппаратуры тоже весьма значительно.
Потенциально существуют две наиболее важные субъек-
тивные причины, влияющие на выбор диагностического диа-
пазона частот.
Во-первых, это устоявшиеся технические и методологи-
ческие традиции наиболее «раскрученных» производителей
диагностического оборудования.
Во-вторых, что тоже связано с первой причиной, это жела-
ние диагностического персонала максимально использовать
имеющиеся у него экспертные наработки, полученные на уже
используемом диагностическом оборудовании, в каком бы
диапазоне частот оно нс работало.
И первая, и вторая причины чаще всего определяются част-
ным «диагностическим мнением» того или иного специалиста,
будь то разработчик оборудования или практический эксперт.
Это мнение опирается на информацию накопленной базы
данных и результаты практической экспертизы состояния изо-
ляции высоковольтного оборудования, выполненной экспер-
тами в конкретном диапазоне частот. В большинстве случаев
мнение этих экспертов является обоснованным и правильным,
и к нему следует внимательно прислушиваться.
Производством диагностического оборудования для реги-
страции частичных разрядов занимается достаточно большое
количество отечественных, а особенно зарубежных фирм.
Выпускаемая ими продукция производит регистрацию вы-
сокочастотных импульсов частичных разрядов в различных
частотных диапазонах. Одни из этих фирм производят обо-
рудование для работы в достаточно узком диапазоне частот и
получают хорошие результаты для конкретных типов диагно-
стируемого оборудования. Другие фирмы производят линейку
продукции, охватывающую несколько частотных диапазонов,
что позволяет пользователям их аппаратуры проводить диа-
гностику нескольких типов высоковольтного оборудования.
Мы не будем проводить глубокий анализ, завершая его
далеко идущими выводами, а просто предоставим информа-
цию о частотном диапазоне продукции наиболее известных
фирм-производителей диагностического оборудования. Эта
информация получена из открытых источников, она не яв-
ляется полной, а касается только тех фирм, которые, на наш
взгляд, производят продукцию, работающую в наиболее широ-
ком диапазоне частот. В этот список включены также фирмы,
производящие аппаратуру, работающую в узком диапазоне
частот, но занимающие заметную коммерческую нишу на
рынке приборов регистрации частичных разрядов.
Таблица 1,1,
Диапазон частот Doble - Lemke IRIS QUALITROL TECHIMP IPEC Omicron
100,0 кГц ASM M DP 600
DFA100 PD-Guard PDCheck
1,0 МГц
PD-Guard
10,0 МГц Bus Track
PD-Smart
100,0 МГц
PDS100 PD- Guard/UHF
1,0 ГГц
PD-Guard/ UHF
3,0 ГГц
В таблице 1.1 приведена информация о некоторой продук-
ции 6 зарубежных фирм-производителей диагностического
оборудования, занимающих наибольшую часть рынка пере-
носных приборов регистрации частичных разрядов и средств
мониторинга. Еще раз скажем, что приведенная информация
не несет коммерческой нагрузки, это просто попытка систе-
матизировать распределение по частотным диапазонам про-
дукцию, имеющуюся на рынке, показать диапазоны частот,
вызывающие максимальный интерес у производителей. Если
в каком-либо диапазоне частот у фирмы-производителя суще-
ствует несколько типов диагностических приборов, то в данной
таблице все они могут не упоминаться, причем это делается
только по причине экономии места.
Интересным всегда представляется вопрос, какое обору-
дование лучше, более универсально, имеет расширенный ча-
стотный диапазон, или же специализированное, рассчитанное
на работу в узком частотном диапазоне. На наш взгляд, более
информативным, позволяющим лучше отстраиваться от помех,
имеющим больше встроенных функций является специали-
зированное оборудование. Универсальное диагностическое
оборудование по своему определению не может обеспечивать
равенство своих свойств во всех практических случаях. Кроме
того, при внимательном рассмотрении универсальное обору-
дование является совокупностью нескольких диагностических
приборов, выполненных в одном технологическом корпусе.
Примером такого комбинированного решения является си-
стема «ASM» производства английской фирмы «1РЕС».
Кроме того, следует также понимать, что даже если аппа-
ратура позволяет производить измерения в широком диапа-
зоне частот, то с датчиками дело обстоит иначе. Все датчики
работают обычно в одном диапазоне частот, следовательно,
измерительное оборудование с одним подключенным дат-
чиком также работает в одном, достаточно узком диапазоне
частот. Фирмы, производящие широкополосное оборудование,
просто подразумевают, что к нему могут быть подключены
различные датчики. Естественно, что широкополосное из-
мерительное оборудование имеет больше диагностических
возможностей.
Таблица 1.2.
Частота DIAKS DIMRUS EMA дизкон
100,0 кГц
Ultra Test скит
1,0 МГц PDPA AR 700 AR 200
R2200 R400 TDM TIM-3.9 Корона
10,0 МГц
100,0 МГц
UHF-Recorder UHF-Tester M2010
1,0 ГГц
В таблице 1.2 приведена аналогичная информация об основ-
ной продукции 4 российских фирм-производителей диагности-
ческого оборудования. Эти фирмы, на наш взгляд, являются
наиболее известными на нашем рынке. Существует еще целый
ряд других российских фирм-производителей диагностическо-
го оборудования, предназначенного для регистрации частич-
ных разрядов, но их влияние на отечественный, а тем более
мировой рынок, чрезвычайно мало.
Мы включили в этот список отечественных производителей
оборудования и нашу фирму «DIMRUS», но это не реклам-
ный шаг, а отражение реальной действительности, что хорошо
видно из приведенной таблицы. Фирма «DIMRUS» является
на отечественном рынке диагностических средств наиболее
представительной по количеству и типам производимых при-
боров и систем.
Анализ этих двух таблиц не дает ничего нового к вышепри-
веденному анализу влияния частотного диапазона измери-
тельных приборов на получаемые результаты. В дополнение к
уже сказанному, из этих справочных таблиц еще лучше видно,
какое многообразие технических средств регистрации частич-
ных разрядов, работающих в различных диапазонах частот,
используется практическими диагностами.
Так или иначе, но любой специалист по системам и при-
борам контроля частичных разрядов, принимающий решение
по выбору технических средств диагностики и мониторинга,
должен самостоятельно определиться с необходимым диапа-
зоном частот. Как будет показано ниже, на это будет сильно
влиять тип высоковольтного оборудования, в котором пред-
полагается контролировать частичные разряды.
1.2. Связь параметров импульсов частичных
разрядов с конструктивными особенностями
оборудования
Важнейшей задачей диагностики состояния высоковольт-
ной изоляции по параметрам частичных разрядов является
проведение качественной и количественной оценки ее техни-
ческого состояния. Она имеет своей целью дифференцировать
возможный тип дефекта, возникшего в изоляции, а в идеале и
локализовать и место его возникновения, и определить степень
его развития. Это есть задача максимум для любого практи-
ческого диагноста.
Решение этой важнейшей и многоплановой задачи невоз-
можно без понимания особенностей возникновения частич-
ных разрядов в реальном оборудовании. Поэтому в данном
разделе попытаемся рассмотреть наиболее общие, но в то же
время достаточно (сравнительно) простые вопросы, знание
которых позволит более эффективно дифференцировать тип
дефекта в изоляции.
Еще раз напомним, что в данной работе мы не рассматри-
ваем общие особенности и закономерности возникновения
разрядов в изоляции. Мы рассматриваем только минимальный
круг теоретических вопросов, без которых невозможна прак-
тическая работа по диагностике состояния изоляции высоко-
вольтного оборудования по параметрам частичных разрядов.
Все свои рассуждения мы не сопровождаем использованием
математического аппарата, каждый раз ограничиваясь только
логическими выкладками.
1.2.1. Влияние зоны возникновения дефекта в изоляции
на параметры частичных разрядов.
При первом же поверхностном знакомстве с частичными
разрядами любопытный диагност сразу замечает, что частич-
ные разряды, несмотря на кажущуюся хаотичность, имеют
определенные характерные признаки, так или иначе связанные
с особенностями контролируемого оборудования.
HV
напряженности поля в зоне
возникновения дефекта изоляции.
1.2.1.1.
Одним из первых
возникает вопрос,
почему частичные
разряды возникают в
зоне нарастания на-
пряжения питающей
сети и практически
полностью отсутству-
ют в зоне, где напря-
жение относительно
амплитудного зна-
чения уменьшается.
На рисунке 1.3. при-
ведена информация,
при помощи которой
мы попытаемся хотя бы поверхностно проанализировать это
сложное физическое явление.
На рисунке, справа вверху, условно показан слой высо-
ковольтной изоляции с дефектом типа «газовое включение»
внутри изоляции. Рядом с дефектом показана условная схема
замещения слоя изоляции, состоящая из трех зон, каждая из ко-
торых представлена на схеме замещения в виде отдельного кон-
денсатора. Конденсаторы С1 и С2 показывают участки нормаль-
ной изоляции, а конденсатор Cd моделирует дефект в изоляции.
На графике слева внизу показана синусоида питающего напря-
жения. На этом же графике показано изменение напряжения
на зоне дефекта в функции времени и частичные разряды,
которые возникают в этой зоне.
При росте приложенного к изоляции напряжения по схеме
замещения изоляции начинает протекать ток, пропорциональ-
ный мгновенному значению и скорости изменения питающего
напряжения. На каждом конденсаторе схемы замещения на-
чинает возрастать напряжение, сумма напряжений на трех кон-
денсаторах всегда равняется приложенному напряжению.
При возрастании напряжения на газовом (воздушном)
включении до пробойного значения (например, более 3 kV/
мм для воздуха) возникают частичные разряды. В результате
воздействия каждого частичного разряда падение напряжения
на зоне дефекта уменьшится, а напряжение на конденсаторах
С1 и С2 возрастает. Поскольку напряжение питающей сети
еще растет, то напряжение на дефекте опять подрастает до
пробойного напряжения, происходит новый разряд, и опять
это приводит к росту напряжения на участках бездефектной
изоляции.
Наступает такой момент времени, когда питающее напря-
жение еще растет, но поскольку оно практически полностью
сосредотачивается на участках исправной изоляции, напря-
жение на зоне дефекта не может вырасти до пробойного зна-
чения. Интенсивность разрядов падает и вблизи 90 градусов
теоретически частичные разряды прекращаются полностью.
На участке снижения питающего напряжения от ампли-
тудного значения до нуля частичных разрядов в зоне дефекта
не происходит, так как имеет место снижение напряжения на
всех трех конденсаторах схемы замещения. Напряжение на зоне
дефекта также уменьшается, предпосылок для возникновения
частичных разрядов от дефектов внутри изоляции нет.
В момент перехода питающего напряжения через нуле-
вую линию напряжение на зоне дефекта не равняется нулю.
Оно имеет какое-то остаточное значение с полярностью, кото-
рая соответствует распределению напряженности электриче-
ского поля в предшествующую полуволну питающего напряже-
ния. Необходимо, чтобы напряжение питающей сети, которое
уже имеет в данный момент противоположную полярность,
смогло скомпенсировать остаточный заряд на зоне дефекта.
В итоге это приведет к некоторому фазовому запаздыванию
импульсов относительно точки перехода напряжения через
ноль.
Основное следствие наших рассуждений, которое необхо-
димо хорошо запомнить, звучит следующим образом.
Частичные разряды возникают только на участке роста напря-
женности электромагнитного поля (приложенного напряжения),
на участках снижения напряженности электромагнитного поля
они не возникают.
Это Первое Диагностическое Правило, которое мы будем
активно использовать в процессе диагностики состояния вы-
соковольтной изоляции.
Если бы мы попросили интерпретировать эту физическую
картину возникновения частичных разрядов специалиста,
понимающего глубинные процессы возникновения частич-
ных разрядов в изоляции, то получили бы более правильное
и теоретически корректное описание процесса, может, даже
загруженное формулами. За такими выкладками, если они вам
интересны, следует обратиться к другим, более корректным
научным работам. Это предмет еще одного, весьма обширного
по своему объему, научного исследования и практической
интерпретации результатов.
7.27.2
Такой же достаточно поверхностный анализ может быть
использован применительно к случаю, когда зона дефекта (ме-
сто дефекта) в изоляции располагается на разном удалении от
высокого потенциала и земляного электрода. То, что это будет
влиять на распределение частичных разрядов, не вызывает
сомнения. Еще раз подчеркиваем, что это будет влиять на рас-
пределение (относительно синусоиды питающего напряжения)
частичных разрядов, потому что амплитуда и интенсивность
частичных разрядов, т.е. количественная сторона этого про-
цесса, нас сейчас пока не интересует.
Для полного анализа влияния места возникновения
дефекта на распределение частичных разрядов рассмотрим
три наиболее общих случая, три возможных места возникно-
вения дефекта внутри
высоковольтной изо-
ляции:
- ближе к земля-
ному электроду;
- в середине слоя
изоляции;
- вблизи высоко-
вольтного электро-
да.
Рассмотрим, как
это влияет на соот-
ношение количества
положительных и
отрицательных им-
пульсов частичных
разрядов.
В каждой области
человеческого зна-
ния есть свой «Закон
Ома». Под этим на-
званием мы понима-
~ HV !
g -----------е-----1: А(+) < А(-)
| о2 2:А(+)=А(-)
S о3 3 : А(+) > А(-)
Рис. 1.4. Влияние места
возникновения дефекта в изоляции
на амплитудно-частотное
распределение импульсов частичных
разрядов.
ем основополагающие
определения, так или иначе присутствующие во всей этой об-
ласти знания. Сфера практического приложения информации
о частичных разрядах не является исключением, в ней тоже
есть свои важнейшие законы, пусть даже они и не выражены
простыми формулами. Поэтому назовем их правилами. Первое
диагностическое правило мы уже привели выше.
Так вот, на рисунке 1.4. приведено еще одно из важнейших
теоретических и практических определений из теории диагно-
стики дефектов по частичным разрядам. Назовем его Второе
Диагностическое Правило и сформулируем его следующим
образом.
Смещение зоны дефекта в изоляции от поверхности прово-
дника (HV) к земляному потенциалу (Ground) соответствует
смещению фазовой зоны возникновения разрядов относительно
синусоиды питающего напряжения из зоны положительной по-
луволны синусоиды в зону отрицательной полуволны.
Напомним, что при этом продолжает действовать первое
правило, частичные разряды возникают только при росте на-
пряженности поля, т.е. в первой и третьей четверти синусоиды
питающей сети.
В качестве практического примера возможностей прак-
тического применения амплитудно-фазовых распределе-
ний частичных разрядов, которое мы ниже назовем PRPD-
распределением, в самом общем виде рассмотрим особенности
влияния места возникновения дефекта в изоляции высоко-
вольтного оборудования на вид PRPD-распределения импуль-
сов частичных разрядов.
Поясним второе диагностическое правило более подробно,
используя все тот же рисунок 1.4. В слое изоляции контроли-
руемого оборудования выделим три характерных, наиболее
часто встречающихся, места возникновения дефекта:
Точка «1» — вблизи высоковольтного электрода (ввод транс-
форматора, жила кабеля, шина КРУ);
Точка «2» — внутри слоя высоковольтной изоляции;
Точка «3» — вблизи земляного электрода. Это может быть
выравнивающий полупроводящий слой в изоляции, разделка
кабельной линии, экран муфты, элемент под «плавающим»
потенциалом и т.д.
Не вдаваясь в физические подробности возникновения
разрядов на разных участках изоляции, будем с приемлемой
для нашего оценочного анализа точностью считать, что все
частичные разряды сосредоточены в двух достаточно узких
угловых зонах. Согласно пояснению к рисунку 1.4., эти зоны
располагаются на участках возрастания напряжения питающей
сети, как на положительной, так и на отрицательной полуволне
питающего напряжения.
При положительном напряжении все частичные разряды
имеют отрицательную полярность и сосредоточены в одной
фазовой зоне, до 90 градусов (разряды с амплитудой «А-»). При
отрицательном напряжении питающей сети все частичные
разряды имеют положительную полярность и сосредоточены в
угловой зоне, до 270 градусов (разряды с амплитудой «А+»).
Точка «1», где возник дефект изоляции, соответствует слу-
чаю, когда разряд возникает практически на высоковольтном
электроде. Это классический коронный разряд со всеми вы-
текающими последствиями. На положительной полуволне
питающего напряжения импульсы отрицательных разрядов
«А-» имеют максимальную интенсивность. На отрицательной
полуволне питающего напряжения положительные разряды
«А+» имеют существенно меньшую амплитуду.
Точка «3» возникновения дефекта в изоляции на рисунке
соответствует случаю, когда частичный разряд возникает вбли-
зи или на самом земляном электроде. В этом случае разряды
во время положительного питающего напряжения (разряды
с амплитудой «А-») будут меньше, чем разряды во время от-
рицательной полуволны питающего напряжения (разряды с
амплитудой «А+»). Данное распределение импульсов разрядов
противоположно, чем при наличии в контролируемом обору-
довании коронных разрядов на высоковольтном электроде. На
практике это бывает при проблемах в полупроводящих слоях
кабельных линий и обмоток, при утечках в лобовой части об-
мотки статора, при ослаблении крепления стержней обмотки
статора в пазах.
Точка возникновения дефекта «2» является промежуточным
вариантом, когда разряды возникают в глубине слоя изоляции.
В этом случае амплитуды разрядов (зарегистрированных на
положительной и отрицательной полуволне питающего на-
пряжения) будут примерно одинаковыми. Такая картина рас-
пределения разрядов бывает при неправильной пропитке изо-
ляции, наличии внутренних температурных разрушений и т.д.
Если точка дефекта будет смещаться от центра в ту или иную
сторону, будет изменяться соотношение амплитуд импульсов
частичных разрядов в контролируемом оборудовании.
Можно максимально упростить эту физическую картину
«до наивности», если это позволит кому-то более правильно
понять суть происходящих, достаточно сложных, физических
процессов в изоляции.
Если говорить об этом процессе совсем просто, то такое
«почти физическое правильное» описание будет выглядеть
следующим образом:
- Если частичные разряды возникают на поверхности изо-
ляции, в зоне высокого потенциала, то разряды будут про-
являться только на положительной полуволне синусоиды
питающего напряжения. Возникающие импульсы пойдут
«внутрь изоляции», так как «идти им в изоляции больше не-
куда». Полярность импульсов отрицательна (движение внутрь
или вниз), она всегда противоположна полярности синусоиды
питающего напряжения.
- Если разряды возникают на «земляном электроде», то
они будут проявляться только на отрицательной полуволне
питающего напряжения, и импульсы пойдут «к поверхности
изоляции», так как опять получается, что «идти им в изоляции
больше некуда». Полярность импульсов будет положительной
(движение вверх, против синусоиды).
- Если частичные разряды будут возникать внутри изоля-
ционного слоя, то они будут проявляться на положительной
и отрицательной полуволне питающего напряжения. Воз-
никающие при этом высокочастотные импульсы пойдут как
«внутрь изоляции» (вниз), так и «к поверхности изоляции»
(вверх), оба пути для них открыты. Это соответствует воз-
никновению импульсов двух полярностей — отрицательных
и положительных.
Мы вынуждены попросить прощения у специалистов за
такое примитивное толкование важнейших особенностей
возникновения частичных разрядов в изоляции, но мы на-
деемся, что это поможет практикам лучше понять связь зоны
возникновения частичных разрядов с фазой питающего на-
пряжения. В этом случае цель оправдывает средства ее до-
стижения. Кроме того, как нам кажется, приведенная упро-
щенная картина возникновения частичных разрядов очень
просто, точно и правильно отражает реальную суть процессов
в высоковольтной изоляции.
Весь анализ, приведенный в данном разделе, иллюстрирует
тот факт, что только по соотношению интенсивности частич-
ных разрядов (естественно, хорошо «отстроенных» от помех)
на двух пол у периодах питающей сети можно оперативно и до-
статочно надежно оценить, на каком участке контролируемой
изоляции (на интервале земля — высоковольтная поверхность)
возникают частичные разряды.
1.2.2. Связь конструктивных особенностей
оборудования с распределением импульсов
частичных разрядов.
Для каждого типа высоковольтного оборудования можно
определить свои диагностические правила, связывающие осо-
бенности конструкции с итоговым распределением частичных
разрядов. Большинство этих диагностических признаков мы
рассмотрим в соответствующих разделах данной работы, по-
священных измерению частичных разрядов в различных типах
оборудования.
Здесь мы на нескольких практических примерах покажем,
как место возникновения дефектов в изоляции статора (в дан-
ном случае будем говорить о месте как об участке изоляции
оборудования) связано с фазовым углом напряжения питаю-
щей сети, приложенного к электрической машине.
На рисунке 1.5., в верхней части, приведено схематиче-
ское изображение двух наиболее важных элементов обмотки
статора - лобовой части и части секции обмотки, проложенной
Рис. 1.5. Связь момента возникновения
частичных разрядов в обмотках
электрических машин с фазой
питающего напряжения.
в пазу пакета статора.
Рисунок с графиком
в нижней части ил-
люстрирует, как при
помощи амплитудно-
фазового распреде-
ления импульсов
можно уточнить ме-
сто возникновения
частичных разрядов
в изоляции статора
генератора.
Классические им-
пульсы частичных
разрядов, которые
возникают в изоля-
ции обмотки статора
в пазу электрической
машины, обычно рас-
полагаются в зонах
около 45 и 225 «элек-
трических» градусов
относительно питающего напряжения. Эта зона обозначена
на нижнем графике цифрой «1». Она имеет место и при по-
ложительной, и при отрицательной полуволнах питающего
напряжения.
Частичные разряды в лобовых частях обмоток крупных
электрических машин и генераторов располагаются в зоне ±30
градусов относительно «классических» импульсов частичных
разрядов, т.е. в зонах 15, 75, 195 и 255 градусов. На нашем ри-
сунке это точка «2» и соответствующие зоны возникновения
Рис. 1.6. Векторная
диаграмма напряжений
трехфазной сети.
частичных разрядов на нижнем
графике.
Причина такого «фазового»
разброса импульсов станет впол-
не понятна, если вспомнить, что
изоляция на участке «фаза — земля»
находится под фазным напряже-
нием трехфазной системы напря-
жений, а в лобовых частях обмотки
статора на изоляцию действуют ли-
нейные напряжения. Несмотря на
то, что вектора фазных напряжений
сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, вектора
линейных напряжений, связанные с одной фазой, сдвинуты
относительно этой фазы на 30 градусов.
На рисунке 1.6. приведена векторная диаграмма напряже-
ний в трехфазной сети. Из этой векторной диаграммы хорошо
видно, что, например, вектора линейные напряжения UAB и
UCA сдвинуты относительно вектора фазного напряжения
UA на 30 электрических градусов. Отсюда становится понят-
ным наличие углового сдвига «фазового» угла возникновения
частичных разрядов в лобовых частях обмотки статора элек-
трической машины относительно частичных разрядов в пазу
статора, где действует фазное напряжение питающей сети.
При помощи векторной диаграммы можно объяснить, когда
частичные разряды возникают в угловой зоне 15 и 195 градусов,
а когда в зоне 75 и 255 электрических градусов.
Частичные разряды 15 и 195 градусов возникают на участке
действия напряжения UAB между секциями обмоток «А» и «В»
и опережают зону «фазных» разрядов на 30 градусов. Вектор
линейного напряжения UAB опережает вектор фазного напря-
жения UA на 210 градусов, что при условии симметрии разрядов
на отрицательной и положительной полуволне питающего
напряжения эквивалентно опережению на 30 градусов.
Частичные разряды в лобовых частях на участке между
фазами «А» и «С» возникают в угловой зоне 75 и 255 градусов,
так как вектор линейного напряжения отстает от вектора UA
на 30 электрических градусов.
На таком достаточно простом примере мы показали, что
зная особенности контролируемого оборудования и правильно
понимая причины возникновения частичных разрядов, можно
значительно повысить эффективность проведения диагно-
стических работ.
1.3. Высокочастотные помехи, влияющие
на измерение частичных разрядов
в высоковольтном оборудовании
Наряду с «полезными» сигналами от частичных разрядов,
исследование которых является нашей целью, в контролируе-
мом оборудовании всегда присутствует большое количество
высокочастотных помех. Вне зависимости от выбранного ча-
стотного диапазона помехи всегда присутствуют, хотя в разных
диапазонах частот они имеют разную природу возникнове-
ния.
Все помехи по своему глубинному определению всегда
препятствуют принятию правильных диагностических за-
ключений, поэтому их всегда необходимо однозначно харак-
теризовать как «вредные». Поэтому вполне понятно, почему
их рассмотрению, пусть и поверхностному, мы посвящаем
отдельный раздел.
1.3.1. Общая классификация высокочастотных помех.
Существует безграничное множество высокочастотных
импульсов, возникших в высоковольтном оборудовании или
наведенных в него извне, не связанных с наличием дефектов
в изоляции контролируемого оборудования. Эти импульсы
активно препятствуют процессам измерения частичных раз-
рядов и по этой причине совершенно правильно называются
помехами.
Наиболее опасными являются помехи, возникшие в том
частотном диапазоне, в котором ожидается появление импуль-
сов от частичных разрядов, в котором работает наша измери-
тельная аппаратура. И, конечно, самыми опасными являются
помехи, имеющие параметры, которые близки к параметрам
ожидаемых импульсов от частичных разрядов.
Для того чтобы хотя бы немного лучше в дальнейшем по-
нимать способы отстройки от помех, проведем некоторую их
классификацию. Понятно, что эта процедура всегда являет-
ся не конечной и не полной, поэтому будем рассматривать
только те вопросы, которые могут помочь нам в практической
деятельности в дальнейшем при проведении реальных диа-
гностических работ.
1.З.1.1.
Начнем с первой ступени классификации, в которой основ-
ным параметром будет время возникновения помех, точнее
говоря, периодичность их возникновения:
- Помехи постоянного действия.
- Помехи периодического возникновения.
- Случайные помехи.
Данная классификация включает в себя все помехи, име-
ющие место в высоковольтном оборудовании. Проще всего
отстраиваться от постоянных помех, сложнее — от помех перио-
дического действия. Наиболее трудно отстроится от случайных
помех, появление которых непредсказуемо.
1.3.1.2.
Классификация помех по причине их возникновения:
- Помехи, связанные с режимами работы контролируемого
оборудования.
- Помехи, связанные с влиянием климатических усло-
вий.
- Помехи, обусловленные действиями персонала.
С такими помехами бороться несколько проще, так как
появление их в какой-то мере предсказуемо. Или возможно
выявление связи интенсивности этих помех с некоторыми
внешними или внутренними параметрами работы контроли-
руемого оборудования.
1.3.1.3.
Четвертая возможная градация помех — по месту возник-
новения:
- Помехи, возникшие в контролируемом оборудовании.
- Помехи, возникшие в рядом расположенном оборудова-
нии.
- Помехи, пришедшие «издалека».
1.З.1.4.
Классификация помех по способу проникновения в кон-
тролируемое оборудование:
- Помехи, проникшие по соединительным кабельным и
воздушным линиям.
- Помехи, наведенные электромагнитным путем.
- Помехи, проникшие акустическим способом.
1.3.1.5.
Классификация помех по частотным свойствам импуль-
сов:
- Низкочастотные помехи.
- Среднечастотные помехи.
- Высокочастотные помехи.
1.3.1.6.
Эту классификацию можно рассматривать как часть пред-
ыдущего пункта:
- Помехи, частота в сигнале которых не меняется.
- Помехи, частота в сигнале которых изменяется: увеличи-
вается или уменьшается.
Любая классификация помех, что мы уже указывали выше,
является неполной, ее всегда можно дополнить. По этой при-
чине мы просто прекратим дальнейшее рассмотрение этого во-
проса. Любой читатель может дополнить нашу классификацию
своей информацией, если посчитает нужным это сделать.
1.3.2. Коронный разряд — основная высокочастотная
помеха при рабочих напряжениях больше ПО кВ.
При измерении частичных разрядов в силовых трансформа-
торах очень важным для обеспечения эффективной отстрой-
ки от коронных разрядов является понимание особенностей
причины возникновения таких разрядов на поверхности изо-
ляторов и в воздухе.
X / ф \ \
"^7777777777777
/ / |М ^1 \ \
+ $7777777777777
Рис. 1.7. Пояснение причин возникновения коронных
разрядов при различной полярности приложенного
напряжения.
Коронный разряд в высоковольтном оборудовании обычно
возникает на воздушном (изоляционном) промежутке типа
«игла — плоскость» при приложении высокого напряжения.
При различной полярности приложенного напряжения корон-
ные разряды возникают по-разному. Попробуем разобраться,
почему же это происходит.
На рисунке 1.7. условно показан воздушный промежуток
между иглой и заземленной плоскостью. Игла на нашем упро-
щенном рисунке имитирует выступ, на котором происходит
концентрация силовых линий электромагнитного поля. Этот
выступ может быть как на самой обмотке, так и на заземлен-
ной поверхности, например, внутри бака трансформатора.
Смысл картины происходящих при этом физических явлений
не меняется.
Рассмотрим левый рисунок. При приложении к игле вы-
сокого положительного потенциала в момент положительной
полуволны питающего напряжения электроны, отрицательные
заряды, начнут двигаться в пространстве от плоскости к игле, к
электроду с положительным потенциалом. По мере приближе-
ния к игле отдельные электроны будут объединяться в потоки,
потоки электронов будут укрупняться, «стекаться как ручьи»,
создавать в воздухе каналы, которые начнут нагреваться, по
которым будут происходить импульсные разряды с все более
увеличивающейся энергией. По мере роста внешнего напряже-
ния потоки электронов будут увеличиваться, а при снижении
напряжения потоки электронов будут уменьшаться.
Если в цепь питающего напряжения (к цепи иглы) будет
включен прибор, регистрирующий импульсы частичных
разрядов, то он покажет достаточно большую интенсивность
частичных разрядов в полуволне питающего напряжения,
имеющей положительную полярность.
Обратим внимание читателя на очень важную особенность
возникновения коронных разрядов на положительной полу-
волне питающего напряжения. Поскольку вблизи высоковольт-
ного электрода собирается большой объем зарядов, что сопро-
вождается даже нагреванием каналов протекания электронов,
то частота излучения от них не бывает очень большой, она
редко превышает 100-200 МГц. Говоря очень упрощенно, чем
больше размеры объекта, тем ниже его резонансная частота.
Это очень важный признак, при помощи которого можно про-
водить отстройку от влияния коронных разрядов.
При приложении к игле отрицательного внешнего потен-
циала (в момент воздействия отрицательной полуволны пи-
тающего напряжения), как это показано на втором рисунке,
электроны начнут двигаться в обратном направлении. Это
движение будет происходить от иглы к плоскости, от отри-
цательных зарядов к электроду с положительным потенциа-
лом. По мере удаления электронов от иглы будет происходить
процесс «растекания», снижения напряженности движения.
Каналы протекания зарядов будут распадаться, охлаждаться,
интенсивность движения будет уменьшаться, заряды будут
тормозиться. Электроны будут, образно говоря, «уходить в пе-
сок», итоговая интенсивность коронных разрядов будет много
меньше, чем в первом случае.
В результате мы будем иметь такую картину распределения
частичных разрядов, когда при разных полярностях питающего
напряжения интенсивность частичных разрядов будет значи-
тельно различаться. На диаграмме амплитудно-фазового рас-
пределения импульсов, которая всегда строится для «полной»
синусоиды питающей сети, включающей обе полуволны, это
будет хорошо видно. Разряды в зоне «+» питающего напряже-
ния будут в десятки раз мощнее, чем разряды в зоне «-». Это
является важным признаком влияния коронных разрядов при
регистрации частичных разрядов в оборудовании.
1.3.3. Высокочастотные помехи, проникающие
в оборудование извне.
При проведении измерений частичных разрядов практиче-
ски всегда велико влияние внешних высокочастотных импуль-
сов, «похожих на частичные разряды в изоляции», наведен-
ных в контролируемом оборудовании извне или связанных со
специфическими особенностями эксплуатации оборудования,
не зависящими от режимов работы.
В отличие от «просто шумовых импульсов», имеющих слу-
чайный характер, в данном разделе рассмотрим повторяющие-
ся, или периодически возникающие в определенных условиях,
импульсы внешних помех. Основное внимание уделим высо-
кочастотным импульсам, имеющим вполне определенную
физическую природу возникновения своего возникновения, и
которые можно по своим характерным признакам достаточно
корректно выделить из общего шума.
1.3.3.1. Влияние изменения параметров окружающей
среды на интенсивность частичных разрядов.
В целом ряде практических случаев измерения частичных
разрядов на получаемые результаты оказывает большое влия-
ние состояние окружающей среды, атмосферного воздуха или
внешней охлаждающей среды. Это влияние может быть столь
значительным, что достоверность получаемых диагностиче-
ских заключений может упасть практически до нуля.
В наибольшей мере это относится к случаям измерения
частичных разрядов в изоляции такого оборудования, у ко-
торого возможные пути утечки по поверхности изоляции, а
иногда и внутри, соприкасаются со средой, изоляционные
параметры которой могут существенно изменяться. Это, чаще
всего, силовые трансформаторы, воздушные линии, ошиновка
подстанций и другое оборудование, расположенное открыто,
вне помещений, и на которое может оказать влияние состояние
атмосферного воздуха.
Наиболее сильно на состояние «открыто расположенных»
изоляционных промежутков и изолирующих элементов высо-
ковольтного оборудования влияет влажность атмосферного
воздуха. Чем выше влажность воздуха, тем ниже поверхност-
ное сопротивление изоляционных промежутков и тем выше
интенсивность частичных разрядов. Такая связь вполне оче-
видна и не требует дополнительных пояснений. Наибольший
практический интерес представляют логические заключения,
сделанные на этой основе.
Во-первых, при проведении измерений частичных разрядов
в открытом расположенном высоковольтном оборудовании,
которое можно назвать по аналогии с человеком «метеочув-
ствительным оборудованием», всегда необходимо контроли-
ровать влажность и температуру окружающего воздуха. Любые
диагностические заключения о состоянии изоляции такого
оборудования могут быть сделаны только с учетом реальной
влажности воздуха, зарегистрированной в момент измерения
частичных разрядов.
Во-вторых, при превышении влажностью воздуха опреде-
ленного порогового значения, измерения частичных разрядов
в изоляции трансформаторов, воздушных линий, в ошиновке
теряют практический смысл. Будет определяться не техни-
ческое состояние высоковольтной изоляции, а разряды по
поверхности, что чаще всего будет зависеть от конструкции
изоляции, состояния ее внешней поверхности.
В-третьих, измерение разрядной активности по влажной
поверхности изоляции может иметь другую практическую
направленность. Например, на основании анализа этого па-
раметра можно проводить оценку поверхностной загрязнен-
ности подвесной и опорной изоляции. Или же при помощи
сравнения двух измерений разрядной активности в подвесной
полимерной изоляции можно выявить появление внутренних
дефектов, таких как нарушение герметичности полимерного
стержня, появление внутренних полостей внутри изоляторов,
в которые во время дождя попадает атмосферная влага.
В качестве другого примера влияния внешних атмосфер-
ных условий на интенсивность частичных разрядов в высоко-
вольтной изоляции можно рассмотреть другой, более экзо-
тический случай. В некоторых странах, например в Канаде,
в зависимости от времени года система охлаждения статора
гидрогенератора может модифицироваться. В летние месяцы,
когда температура атмосферного воздуха достаточно велика,
охлаждение статора осуществляется водородом. Зимой же
охлаждение статора может быть эффективно осуществлено за
счет использования внешнего атмосферного воздуха, градиент
температуры которого относительно обмотки значительно
возрастает.
Самым важным следствием этого для нас является то, что
интенсивность частичных разрядов такого генератора в зимнее
время, когда осуществляется охлаждение воздухом, может
существенно вырасти, в несколько раз. Летом, когда в каче-
стве охлаждающего газа будет использоваться водород, уро-
вень частичных разрядов вернется к предыдущему значению.
Знание таких особенностей работы оборудования позволит
практическому диагносту избежать грубых ошибок во время
процедуры оценки технического состояния, проводимой для
изоляции контролируемого оборудования.
1.З.З.2. Частичные разряды, наведенные
из рядом расположенного оборудования.
Этот вопрос также практически безграничен по своему
объему.
Поскольку он является описательным, мы ограничимся про-
стым перечислением наиболее часто встречающихся случаев.
Наиболее часто встречающимися «посторонними» источ-
никами высокочастотных помех являются:
- Полупроводниковые частотные преобразователи. С поме-
хами от таких источников бороться достаточно просто, так как
они всегда привязаны по фазе к питающему напряжению.
- Искрение на коллекторах крупных электрических машин
постоянного и переменного тока. Бороться с такими высоко-
частотными помехами достаточно сложно, так как они носят
нестационарный характер.
- Сварочные работы. Нестационарные, но редко повторяю-
щиеся помехи.
- Подвижной электрический транспорт.
- И т.д.
1.4. Аппаратные методы и средства отстройки
от воздействия высокочастотных помех
Важнейшей задачей диагностики состояния изоляции по
параметрам частичных разрядов является проведение каче-
ственной и количественной оценки интенсивности частичных
разрядов. Она имеет своей целью дифференцировать возмож-
ный тип дефекта, возникшего в изоляции, определить степень
его развития и в идеале локализовать место его возникновения.
Решение этой задачи невозможно без проведения максимально
возможной и эффективной отстройки от импульсов внешних
помех, имеющих параметры, близкие к параметрам частичных
разрядов.
Все известные методы и способы отстройки от помех и
диагностики состояния изоляции можно объединить в две
большие группы — аппаратные и алгоритмические.
К первой группе относятся методы, базирующиеся на ана-
лизе параметров отдельных импульсов частичных разрядов.
В них сравниваются амплитудные и частотные параметры
зарегистрированных импульсов, а также связи между импуль-
сами, поступающими отдатчиков, установленных в различных
зонах контролируемого оборудования. Основное назначение
методов этой группы - повышение достоверности проводимых
измерений за счет более эффективной отстройки от помех.
Именно в этом заключается наибольшее отличие современ-
ных приборов регистрации частичных разрядов от обычных,
пусть даже самых современных и «нагруженных функциями»
цифровых осциллографов. Оно состоит в том, что выходной
информацией специализированных приборов регистрации
частичных разрядов является не просто осциллограмма из-
менения входного сигнала, нуждающаяся в дополнительной
экспертной оценке, а итоговая информация о количестве за-
регистрированных импульсов, отвечающих определенным
требованиям. Весь процесс оценки параметров этих импульсов
происходит в измерительном приборе в режиме реального
времени в соответствии с заложенными в техническую часть
прибора алгоритмами.
Чем прибор регистрации частичных разрядов современнее,
тем большее количество диагностических алгоритмов реали-
зовано в его технической и программной части. Чем больше
реализовано таких алгоритмов, тем большими возможностями
обладает специалист, проводящий измерения. Это позволяет
ему заниматься не бесконечным рутинным просматриванием
осциллограмм, а диагностикой состояния изоляции в прямом
ее понимании.
Ко второй группе способов отстройки от помех отно-
сятся методы, базирующиеся на анализе амплитудного и
амплитудно-фазового распределения уже зарегистрированных
импульсов частичных разрядов. Целью этих методов является
определение типов имеющихся дефектов и оценка влияния
дефектов на остаточный ресурс высоковольтной изоляции.
Это методы наиболее высокого уровня диагностики, больше
относящиеся к экспертным системам, применяемые для по-
лучения конечных заключений о состоянии изоляции.
В данном разделе для начала рассмотрим наиболее важные
способы анализа параметров частичных разрядов, реализация
которых возможна в измерительных приборах на аппаратном
уровне. Таких способов три: сравнение импульсов по ампли-
туде, определение времени прихода импульсов и сравнение
импульсов по полярности.
1.4.1. Сравнение импульсов частичных разрядов
по амплитуде.
Один и тот же импульс
от частичного разряда,
возникшего внутри кон-
тролируемого оборудова-
ния, может быть зареги-
стрирован несколькими
датчиками, установлен-
ными в разных точках
объекта. Соотношение
амплитуд и относитель-
ных временных сдви-
гов сигналов от одного
частичного разряда, но
зарегистрированных в
нескольких точках кон-
тролируемого оборудо-
вания, несет в себе много
полезной диагностиче-
ской информации.
Рассмотрим анализ
этих особенностей рас-
пределения импульсов
на примере измерения ча-
стичных разрядов в изо-
ляции высоковольтной
обмотки силового трех-
Рис. 1.8. Измерение частичных
разрядов в трех фазах силового
трансформатора.
фазного трансформатора. Будем пояснять это при помощи
рисунка 1.8., на котором приведена наиболее часто исполь-
зуемая на практике схема измерений частичных разрядов в
первичной обмотке силовых трансформаторах.
В этой измерительной схеме основу составляют первичные
датчики частичных разрядов марки «DB-2», установленные на
ПИН высоковольтных вводов контролируемого трансформа-
тора. Один датчик трансформаторного типа марки «RFCT»
устанавливается в цепи нейтрали первичной обмотки транс-
форматора. Будем считать, что возможности используемого
нами измерительного прибора позволяют проводить синхрон-
ную регистрацию импульсов со всех трех фаз трансформатора
и с датчика «RFCT» в нейтрали первичной обмотки.
Рассмотрим, для примера, случай, когда частичный разряд
будет возникать в высоковольтной обмотке фазы «С» силового
трансформатора. В силу конструктивных особенностей транс-
форматора, выполненного в одном баке, этот импульс частич-
ного разряда будет наводиться на рядом расположенную фазу
«В» и даже на удаленную фазу «Ф». Он будет регистрироваться
одновременно тремя фазными датчиками, установленными
на ПИН трех высоковольтных вводов трансформатора. Этот
же сигнал от частичного разряда будет также зарегистрирован
датчиком, включенным в цепи нейтрали трансформатора.
Три сигнала частичных разрядов, наведенных в трех фазах
одним и тем же импульсом от частичного разряда, возник-
шего в фазе «С» трансформатора, приведены в нижней части
рисунка 1.8. Эти три различающихся «отклика» от одного и
того же частичного разряда будут иметь заметные отличия.
Эти отличия не носят случайного характера (хотя случайные
отличия тоже могут иметь место на практике), а однозначно
связаны с особенностями распространения высокочастотных
импульсов внутри трансформатора. Рассмотрим эти мето-
дически обоснованные отличия импульсов по фазам более
подробно.
Во-первых, все три сигнала при прочих равных условиях
будут иметь разную амплитуду. Максимальное значение (ам-
плитуду) мы наблюдаем в фазе «С», где частичный разряд и
возник первоначально. При перенаводке сигнала с фазы «С» на
фазу «В» и далее на фазу «А» сигнал частичного разряда будет
все более сильно ослабляться, что хорошо видно на графиках.
Причиной ослабления сигнала при перенаводке «с фазы на
фазу» является его естественное затухание, возникающее при
передаче энергии импульса электромагнитным путем внутри
трансформатора.
Во-вторых, первичными датчиками в разных фазах сиг-
нал от частичного разряда зарегистрируется со сдвигом во
времени. Это объясняется различием во времени движения
импульса от места возникновения дефекта до места установки
датчика. В реальных условиях эта разница может составлять
десятки наносекунд. Величина задержки прихода импульсов
отдатчиков, расположенных в разных точках контролируемого
оборудования, определяется двумя основными параметра-
ми. Она зависит, во-первых, от скорости распространения
электромагнитного излучения, это скорость света в вакууме, а
во-вторых, она связана с реально обоснованным замедлением
скорости распространения волны внутри электротехнических
объектов, обладающих индуктивными и емкостными свой-
ствами. Обычно электромагнитная волна преодолевает один
метр расстояния в вакууме (в воздухе) за 3-4 наносекунды, и
за 5-6 наносекунд — внутри кабельной линии, трансформатора
и т.д. Существует даже особый технический параметр — ко-
эффициент укорочения скорости движения волны (электро-
магнитного поля) внутри объекта, играющий большую роль
при диагностике кабельных линий. Более подробно это будет
рассмотрено в следующих разделах.
В-третьих, частота измеряемого высокочастотного сигнала
от одного и того же частичного разряда при регистрации в
разных фазах трансформатора имеет различное значение. Эта
частота максимальна в сигнале, замеренном в фазе «С», где
импульс от частичного разряда и возник, и имеет минимальное
значение в фазе «А», наиболее удаленной от места возникно-
вения импульса частичного разряда. Это также обусловлено
особенностями распространения импульсов внутри транс-
форматора электромагнитным путем.
Все эти три логических сравнения также могут быть пере-
ведены на язык формул, но, что очевидно всем, понятнее они от
этого не станут. Нам кажется, что и математические формулы,
которые при этом будут использованы, вряд ли найдут на прак-
тике свое применение из-за своей сложности и неоднознач-
ности. Если читатель принял ход наших мыслей и согласился
с ними (а может быть и нет!), то этого вполне достаточно для
использования в практике анализа состояния высоковольтной
изоляции по уровню и распределению частичных разрядов.
В данном разделе, ниже, рассмотрим практическое ис-
пользование этих особенностей распространения электро-
магнитных импульсов внутри контролируемого объекта. Еще
раз напомним, что с целью повышения эффективности ана-
лиз таких особенностей внутренних изменений сигналов, т.е.
определение соотношения амплитуд первичного и вторичного
сигналов, должен проводиться в идеальном случае непосред-
ственно в измерительном приборе на аппаратном уровне в
режиме реального времени.
Очевидно, что при перенаводке сигнала (с одной фазы
трансформатора на другую фазу, с одной секции обмотки ста-
тора электрической машины на другую, с одной кабельной
линии на другую) амплитуда наведенного сигнала будет всегда
иметь меньшую амплитуду, чем первичный сигнал. Если этому
заключению и будут исключения, то они возможны только в
экзотических случаях. Это соотношение амплитуд двух и бо-
лее сигналов, а точнее выбор сигнала с большей амплитудой,
является важным диагностическим признаком частичного
разряда. Особенно это важно при многоканальной регистрации
сигналов, когда при помощи этого диагностического признака
можно надежно уточнить, а иногда и указать точно место воз-
никновения дефекта в изоляции.
Принцип работы аппаратной «разборки» импульсов при
помощи сравнения амплитуд очень прост и понятен. Если
амплитуда импульса частичного разряда, контролируемого
по основному измерительному каналу прибора, меньше, чем
синхронно измеряемая амплитуда того же импульса по лю-
бому другому или определенному каналу, то этот сигнал не
относится к данному контролируемому объекту (части объ-
екта). Данный импульс, пришедший с датчика на вход измери-
тельного прибора, является «помеховым». Он возник в другом
месте изоляции (контролируемого объекта) и «перенавелся»
внутри объекта, например, с одной фазы трансформатора на
другую.
Под понятием аппаратной разборки импульсов частичных
разрядов мы понимаем следующее. Или, в идеальном случае,
эти сигналы в режиме реального времени сигналы по всем
измерительным каналам сравниваются между собой по ампли-
туде, и регистрируется только один, максимальный, импульс.
Или же, что несколько сложнее, производится синхронная
регистрация импульсов по всем измерительным каналам, а
далее, программным путем производится сравнение их по
амплитуде. После сравнения амплитуд импульсов одного
частичного разряда по всем измерительным каналам остав-
ляется один импульс в выбранном измерительном канале, а
все остальные импульсы по другим каналам помечаются как
помехи и удаляются из итогов регистрации.
Применительно к используемой в большинстве приборов
схеме многоканальной регистрации сигналов от частичных
разрядов (что абсолютно обязательно для всех сложных объ-
\ UA ив ис uN
иА 1 0,8 0,6 0,7
ив 0,8 1 0,8 0,5
ис 0,6 0,8 1 0,5
UN 0,7 0,5 0,5 1
Рис. 1.9. Примерный вид
матрицы перенаводки для схемы
измерения частичных разрядов
с 4 датчиками
в трансформаторе.
ектов и даже желательно
для лабораторных из-
мерений) необходимо
всегда определять так
называемые коэффи-
циенты перенаводки
сигнала из одной точки
оборудования в другую.
Важным для нас сейчас
является то, что в этих
точках оборудования
мы устанавливаем наши
первичные датчики ча-
стичных разрядов, подключенные каждый к своему измери-
тельному каналу.
Этот коэффициент перенаводки сигналов численно равен
соотношению амплитуд сигналов частичных разрядов на-
веденного сигнала к сигналу исходному. Согласно принятым
нами определениям коэффициент перенаводки должен быть
меньше единицы, т.е., что должно подтвердить закон сохра-
нения энергии, вторичный сигнал должен быть меньше, чем
первичный. Естественно, что мы не учитываем резонансные
процессы, где это соотношение может не соблюдаться.
Экспериментально определяемые коэффициенты перена-
водки с канала на канал (еще раз напоминаем, что теоретиче-
ски их рассчитать невозможно и неприемлемо сложно) проще
всего представлять в виде специальной матрицы перенаводки.
На рисунке 1.9. приведен пример такой матрицы перенаводки
сигналов с канала на канал, при помощи которой производится
выявление места возникновения дефекта. Эта матрица пере-
наводки высокочастотных импульсов приведена для схемы
измерения частичных разрядов в силовом трансформаторе,
показанной на рисунке 1.8.
В практических условиях перед проведением измерений
частичных разрядов значения коэффициентов перенавод-
ки сигналов с канала на канал снимают экспериментально.
На отключенном оборудовании в различные точки контро-
лируемого оборудования подаются тестовые сигналы от ге-
нератора — имитатора частичных разрядов и фиксируются
амплитуды сигналов на выходе всех установленных на объектс
датчиков. Заполнение матриц перенаводки (определения ко-
эффициентов связи) осуществляется в процессе проведения
калибровки входных цепей с использованием калибровочных
генераторов и измерительного прибора.
В результате использования заранее подготовленных матриц
перенаводки, сравнивая в процессе проведения практических
измерений амплитуд импульсов с различных датчиков, т.е.
сравнивая реально полученные коэффициенты соотношения
амплитуд со значениями, имеющимися в матрице перенавод-
ки, пользователь может более точно и эффективно выявлять
место расположения дефекта изоляции.
1.4.2. Отстройка от помех при помощи контроля
времени прихода импульсов по двум и более
каналам.
В зарубежных источниках этот алгоритм называется «time
of arrival» — контроль разницы (и очередности) во времени
прихода импульсов в прибор от разных датчиков с разных
точек оборудования. Это английское название, а иногда и со-
кращенное «ТОА», все больше и больше применяется отече-
ственными диагностами.
Данный диагностический метод очень эффективен и на-
ходит широкое практическое применение при анализе частич-
ных разрядов в больших, пространственно распределенных
объектах, например, в больших электрических генераторах и
высоковольтных двигателей, в кабельных линий, в КРУ.
Выше мы уже практически полностью описали все теорети-
ческие предпосылки, на основании которых работает данный
метод отстройки от помех. Метод базируется на простом и
интуитивно понятном анализе, что если сигнал по данному
измерительному каналу пришел раньше, значит и внутри кон-
тролируемого объекта, в месте установки датчика этого канала,
этот сигнал появился раньше, чем в сравниваемой точке.
При использовании метода ТОА для отстройки от помех
необходимо хорошо понимать, что при таком измерении и
таком анализе важна не только точность измерительного
прибора. Важно, чтобы длина соединительных кабелей от
всех первичных датчиков частичных разрядов, где бы они ни
были установлены, до измерительного прибора должна быть
одинаковой. Причина этого ограничения проста и понятна.
Во всех кабельных линиях, в том числе и в измерительных
кабелях, высокочастотный сигнал движется с одной и той же
скоростью, 5—6 нс/м.
Мы надеемся, что нашему читателю уже понятно, что
разная длина сигнальных кабелей от датчиков до прибора в
методе «time of arrival» может привести к получению непра-
вильных диагностических заключений, касающихся природы
регистрируемых сигналов. Можно некорректно ответить на
очень важный вопрос — является ли этот сигнал сигналом от
частичного разряда или же это сигнал помехи.
Как уже было сказано выше, скорость движения электро-
магнитной волны поля внутри высоковольтного оборудова-
ния может изменяться, причем только в меньшую сторону от
скорости движения электромагнитной волны в вакууме. Это
происходит за счет влияния внутренних емкостей и индук-
тивностей в контролируемом оборудовании, затягивающих
процесс «пролета» волны.
Реально скорость волны поля всегда находится в достаточно
узком диапазоне, от 150 до 300 тысяч километров в секунду.
Если переводить эти очень большие величины в более знако-
мые понятия и измерения, то можно считать, что один метр
пути внутри оборудования импульс электромагнитного поля
пролетает за время, равное 3—6 наносекундам. Это очень ма-
лый отрезок времени, но благодаря применению современной
элементной базы в специализированных приборах измерения
частичных разрядов можно достаточно уверенно контролиро-
вать и такие промежутки времени.
Поясним принцип контроля времени прихода импульсов по
нескольким каналам на простом примере, приведенном на ри-
сунке 1.10. На нем показана реализация метода «time of arrival»
применительно к измерению частичных разрядов в обмотке
статора высоковольтной электрической машины, генератора
Рис. 1.10. Определение места
возникновения частичного разряда
по методу «time of arrival».
или электродвига-
теля.
При появлении
«на внешних за-
жимах контроли-
руемого генерато-
ра» сигналов (от)
частичных разря-
дов всегда встает
главный вопрос,
возникли ли эти
ЧР внутри генера-
тора, или же они
«пришли» извне,
от выключателя, от другого оборудования, может быть, и от
входного трансформатора предприятия.
Неправильный ответ на этот вопрос может привести к
значительным проблемам для службы эксплуатации высо-
ковольтного оборудования. Оптимальным решением этой
проблемы определения места возникновения частичного раз-
ряда является использование возможностей метода «разборки
импульсов» по времени прихода.
Рассмотрим практический пример. Контролируемый ге-
нератор (электродвигатель) подключен к питающей сети, на-
пример, через кабель небольшой длины, и коммутируется
при помощи высоковольтного выключателя. С двух сторон
соединительного кабеля на каждой фазе кабельной линии мон-
тируются конденсаторы связи марки «СС». Таким же образом
конденсаторы могут быть установлены при использовании в ге-
нераторе шинопровода. Минимальное расстояние между кон-
денсаторами связи (разница во времени пролета импульса от
частичного разряда к разным конденсаторам связи) составляет
1 метр. Понятно, что величина этого параметра определяется
техническими возможностями измерительного оборудования:
чем выше его разрешающая способность, тем меньше требуется
минимальное расстояние между двумя датчиками.
Если импульс от частичного разряда возник в генераторе,
то он сначала будет зарегистрирован на конденсаторе связи,
установленном на зажимах генератора. На втором конденсато-
ре связи, установленном на противоположном конце кабеля,
импульс от частичного разряда появится с задержкой времени,
обусловленной «пролетом» импульса по кабелю. Например,
если длина кабеля равняется 20 метров, то задержка времени
составит 6 * 20 = 120 наносекунд.
При возникновении частичных разрядов, например, в вы-
ключателе, сигнал сначала будет зарегистрирован на близко
расположенном к выключателю конденсаторе связи. Только
через 120 наносекунд его можно будет зарегистрировать на
конденсаторе связи, установленном на зажимах генератора.
В первом случае импульс ЧР является «полезным» (инфор-
мативным) для проведения диагностики, во втором случае
импульс является «шумовым», и из процедуры оценки со-
стояния изоляции исключается.
Еще раз напомним, что при использовании такой схемы
«разборки» импульсов соединительные кабели отдатчиков к
прибору должны иметь одинаковую длину. Это необходимо
для того, чтобы не внести погрешность в определение време-
ни прихода импульсов, так как и в соединительных кабелях
сигнал от датчиков также движется с конечной скоростью,
или, говоря иначе, сигнал в измерительном кабеле «тоже за-
паздывает».
Не лишен практического смысла вариант создания изме-
рительной схемы, в которой длина измерительных кабелей от
разных датчиков может специально выбираться не одинаковой.
При этом можно создать такие условия, когда прибор будет
сравнивать не «прямое» время между приходом импульсов от
датчиков, а «относительное» время, когда в алгоритм опреде-
ления времени прихода импульсов будет введена задержка.
Уменьшая длину кабеля от одного или другого датчика, можно
добиться задержки во времени прихода импульсов со знаком
плюс или со знаком минус. Такие измерительные схемы могут
использовать только диагносты со стажем, это не очень про-
стой вопрос.
1.4.3. Анализ полярности импульсов частичных
разрядов, зарегистрированных несколькими
датчиками.
Полярность регистрируемого импульса является важным
диагностическим признаком. Однако прежде чем приступить к
рассмотрению вопроса о практическом применении этого па-
раметра в диагностике, попробуем определиться с самим этим
термином. Проблем в определении этого, на первый взгляд,
самого простого параметра импульса частичного разряда до-
статочно много, если не сказать «очень много».
Самая главная проблема заключается в необходимости
определения, а в какой же точке регистрируемого сигнала сле-
дует определять полярность регистрируемого высокочастот-
ного сигнала от частичного разряда, на каком амплитудном
пике это следует делать.
- Может, это необходимо делать по полярности самого
первого амплитудного пика в высокочастотном сигнале.
- Может, это необходимо делать по полярности самого мак-
симального пика, имеющегося в регистрируемом сигнале.
- А может быть, это следует делать совсем иначе, каким-то
третьим способом, при помощи сравнения положительной и
отрицательной мощности сигнала.
На практике достаточно часты случаи, когда первый пик
в регистрируемом сигнале от частичного разряда может быть
меньше второго (четвертого и т.д.) в несколько раз. Это при-
водит к тому, что полярность импульса, определенная раз-
личными способами, может различаться, что вносит неопре-
деленность, существенно усложняя процедуру проведения
диагностики.
Ответ тут однозначный, и он определяется физическими
процессами в зоне частичного разряда. Полярность импульса
от частичного разряда определяется строго по полярности
первого пика в сигнале, только такой подход является мето-
дически правильным. Именно этот первый пик в высокоча-
стотном колебательном сигнале (и только он!) вызывается не-
посредственно самим частичным разрядом. Все же остальные
пики и колебания в высокочастотном сигнале от частичного
разряда связаны с параметрами среды, окружающей зону де-
фекта в изоляции. Эти пики чаще всего возникают за счет
перераспределения и различных колебаний энергии частич-
ного разряда «вокруг» зоны дефекта в окружающей изоляции и
в конструктивных элементах высоковольтного оборудования,
где происходит затухание энергии разряда.
Опять необходимо сделать методическое отступление.
Такое определение полярности импульса от частичного раз-
ряда справедливо только при использовании для регистрации
высокочастотных импульсов частичных разрядов «контактных
электромагнитных датчиков» — высокочастотных трансфор-
маторов тока и конденсаторов связи.
Если же вы используете в своей практике акустические
датчики (диапазон частот LF) или же электромагнитные ан-
тенны (диапазон частот UHF), то однозначного решения о
полярности импульса тут не будет, точнее говоря, его просто
нет. Все будет зависеть от многих параметров и, что особенно
непонятно и непредсказуемо, как математически, так и техни-
чески, от многих особенностей распространения и отражения
сигналов внутри контролируемого объекта. Любая внутренняя
граница в оборудовании акустического или электромагнитного
типа легко может поменять полярность регистрируемого нами
импульса от частичного разряда на противоположную.
Конец методического отступления.
После такого, пусть даже достаточно неоднозначного рас-
суждения о способе определения полярности импульса ча-
стичного разряда, автоматически становится актуальным сле-
дующий вопрос: а какое же значение в измеряемом сигнале
следует брать за амплитуду реального импульса частичного
разряда? Ведь достаточно часто встречаются высокочастотные
импульсы, в которых имеется несколько амплитудных пиков
различной полярности и амплитуды? Какой же именно пик в
регистрируемом высокочастотном сигнале несет информацию
об этом важном параметре, об амплитуде импульса?
В данном случае можно практически однозначно говорить
об амплитуде максимального пика в сигнале частичного раз-
ряда. Именно «просто» максимальная амплитуда в сигнале
наиболее достоверно отражает ту энергию, которая выделилась
в результате частичного разряда. Именно эта энергия вовлечена
в сложный процесс компенсации последствий разрушающего
воздействия «кажущегося частичного разряда» на высоко-
вольтную изоляцию контролируемого оборудования.
Только теперь, определившись в основных понятиях прак-
тического определения важнейших параметров импульса
частичного разряда, можно говорить о реальных способах
отстройки от помех, используя в качестве диагностического
признака имеющуюся разницу в полярности импульсов ча-
стичных разрядов, зарегистрированных в различных точках
контролируемого объекта.
Данный метод может быть реализован на аппаратном уровне
только при одном условии: если в процессе регистрации им-
пульсов частичных разрядов синхронно используются два дат-
чика частичных разрядов, один из которых мы назовем «ска-
лярным», а второй датчик назовем «векторным». Эти названия
в большей мере отражают способы установки этих датчиков,
чем принцип их действия. В зависимости от используемой
схемы включения некоторые датчики частичных разрядов
могут изменять свои свойства в рамках понятия «векторный»
или «скалярный» датчик.
Поясним данный «аппаратный» принцип отстройки от по-
мех при помощи нашего рисунка 1.11. На нем показана схема
установки двух датчиков различного типа на одном высоко-
вольтном вводе силового трансформатора. Основным для изме-
рения частичных разрядов во вводе и в самом трансформаторе
является датчик марки «DB-2», стандартно смонтированный
на ПИН ввода трансформатора. Этот «скалярный» датчик
частичных разрядов обладает хорошей чувствительностью и
точностью, он может быть достаточно корректно откалиброван.
Недостатком этого датчика является то, что он не определяет
направление движения высокочастотного импульса через ввод.
Рис. 1.11. Использование полярности выходных сигналов
различных датчиков для отстройки от помех
при измерении в трансформаторах.
С его помощью можно определить амплитуду и полярность
импульса частичного разряда, но нельзя определить направ-
ление движения импульса, «пролетающего» через ввод.
Вопрос определения направления, по которому движет-
ся высокочастотный импульс (через ввод трансформатора),
является для диагностики самым важны.
Причина этому достаточна проста:
- Если направление движение импульса «из трансформа-
тора», то это импульс частичного разряда, представляющий
интерес для процедуры диагностики состояния изоляции
трансформатора.
- Если направление движения высокочастотного импульса
«в трансформатор», то это импульс внешней помехи.
Информация о направлении движения импульса через
ввод имеется в выходном сигнале «векторного» датчика ча-
стичных разрядов, в качестве которого в приведенной изме-
рительной схеме используется обычная катушка Роговского
«WR». В зависимости от направления движения импульса
через ввод «внутрь» трансформатора или «наружу» полярность
выходного сигнала этого датчика частичных разрядов будет
изменяться.
На рисунке показана полярность выходных сигналов дат-
чиков в двух случаях: положительного импульса «в трансфор-
матор» (1+) и положительного импульса «из трансформатора»
(2+). Из приведенного рисунка хорошо видно, что в одном
случае полярность импульсов совпадает, а во втором — от-
личается.
Вдумчивый читатель, наверное, уже заметил, что в данных
рассуждениях не все просто и корректно. Импульс положи-
тельной полярности, двигающийся «из трансформатора» на-
ружу, наведет в катушке Роговского «WR» такой же сигнал,
как и импульс отрицательной полярности, но двигающийся «в
трансформатор». Использование одной катушки Роговского,
хотя это и «векторный» датчик, не дает ответа на вопрос, в
каком направлении двигался электромагнитный импульс.
Именно для устранения этой неопределенности в рассмо-
трение параллельно вводится сигнал отдатчиков типа «DB-2».
Если регистрация сигналов с двух датчиков будет производить-
ся синхронно, то сигнал с «векторного» датчика будет нести
в себе информацию об истинности сигнала, поступающего с
первого датчика. При одном сочетании полярностей выходных
сигналов датчиков «векторного» и «скалярного» импульс с
датчика «DB-2» будет включаться в регистрацию, а при другом
он будет браковаться как импульс помехи. «Правильное» со-
четание зависит от того, как был установлен датчик «WR».
Существует еще один диагностический признак, связанный
с полярностью, при помощи которого регистрируемый импульс
тоже может быть забракован. Этот признак существенно про-
ще, и его можно использовать уже на алгоритмическом уровне,
когда регистрация импульсов завершена.
Согласно этому признаку, на положительной полуволне
питающего напряжения истинные импульсы частичных раз-
рядов должны иметь отрицательную полярность, а на отри-
цательной полуволне — положительную. Как уже отмечалось,
это обусловлено особенностями возникновения частичных
разрядов. К нашему сожалению, использование этого про-
стого и понятного признака не всегда корректно, об этом мы
еще скажем.
1.5. Аналитические и графо-аналитические
способы отстройки от помех и определения
типа дефектов
Можно бесконечно долго любоваться формой импульсов
частичных разрядов на экране осциллографа, но максималь-
но возможным результатом такого абстрактного созерцания,
в лучшем случае, будет решение о наличии или отсутствии
импульсов частичных разрядов (или очень похожих на них
импульсов помех) в изоляции контролируемого оборудования.
Можно будет также сказать об амплитуде некоторых реги-
стрируемых импульсов, но, наверное, это будет программа
максимум по итогам такой диагностики.
Важнейшей же задачей диагностики состояния изоляции
по параметрам частичных разрядов является проведение каче-
ственной оценки состояния изоляции. Она имеет своей целью
дифференцировать возможный тип дефекта, возникшего в
изоляции, а в идеале и локализовать место его возникнове-
ния. Это является программой максимум диагностического
обследования.
Знание амплитуды импульсов частичных разрядов без зна-
ния типа дефекта в изоляции значительно снижает информа-
тивность диагностических заключений. Для примера, дефект
в изоляции, часто называемый расслоением параллельных
проводников в обмотке статора электрической машины или
в кабельной линии, будет многократно более опасным, чем
дефект типа «плавающий потенциал». И это будет даже в том
практическом случае, когда интенсивность частичных разрядов
при «плавающем потенциале» будет в 5 раз больше, чем при
расслоении параллельных проводников.
Здесь мы подошли к необходимости очень хорошо понимать
важнейшие отличия двух электронных приборов, наиболее
часто используемых при регистрации частичных разрядов. Речь
идет о достоинствах и недостатках современного осциллогра-
фа и специально созданного прибора регистрации и анализа
частичных разрядов.
Первый прибор, цифровой осциллограф, в силу своей
универсальности будет всегда «мощнее», дешевле, если хо-
тите — красивее, чем прибор регистрации частичных разря-
дов. Это объясняется универсальностью и большим тиражом
производства осциллографов. Но для получения корректного
диагностического заключения, используя осциллограф, не-
обходимо долго и тщательно просматривать каждый импульс
частичного разряда, записанный в память осциллографа. До-
статочно часто для получения представительной выборки в
одной регистрации приходится рассматривать сотни и даже
тысячи импульсов. Для этого объем памяти в осциллографе
должен быть очень большим, что реально, но не реально про-
смотреть все эти импульсы на экране. А если проводилось
многоканальная регистрация частичных разрядов, что делать
очень полезно (мы это покажем ниже), то задача становится
не решаемой или решаемой очень сложно.
Специализированный прибор регистрации частичных раз-
рядов большую часть функции первичной селекции и анализа
импульсов выполняет на аппаратном уровне. По этой причине
пользователь, практический диагност, полностью избавлен от
утомительной процедуры анализа формы и других параметров
регистрируемых импульсов. Кроме того, в специализирован-
ном приборе даже большая часть функций анализа импульсов
и различных представлений-распределений является встро-
енными.
Именно по этим причинам специализированный прибор,
пусть даже более дорогой и не столь быстрый, будет много-
кратно более эффективным диагностическим устройством,
чем универсальный осциллограф.
Следующие ниже три подраздела, очень важные для про-
ведения практически полезной диагностики состояния изо-
ляции, будут посвящены рассмотрению специфических воз-
можностей и особенностей оборудования, предназначенного
для анализа параметров и распределения импульсов частичных
разрядов.
1.5.1. Стандартные графические представления
распределения частичных разрядов.
Мы назвали в заголовке рассматриваемые в данном разделе
распределения (импульсов частичных разрядов) стандартны-
ми не потому, что их использование в практике закреплено
какими-то нормативами или стандартами, просто они исполь-
зуются в диагностике достаточно давно, и к их применению
все уже привыкли. Рассмотрение этих графических представ-
лений частичных разрядов начнем с распределения, которое
в отечественной технической литературе обычно называется
«амплитудно-частотным распределением импульсов».
Сразу оговоримся, что в этом, достаточно широко распро-
страненном определении, скрыта серьезная ошибка. Понятие
«частота» в названии распределения использовано некоррек-
тно, что приводит довольно часто к неправильному толкова-
нию результатов анализа. Необходимо очень хорошо пони-
мать следующую особенность этого распределения. Наличие в
этом наименовании термина «частотное распределение» никак
не связано с частотными свойствами зарегистрированных
импульсов частичных разрядов. Это никак не связано ни с
крутизной переднего фронта реального импульса частичного
разряда, ни с длительностью этого импульса.
Термин «частотное распределение» используется в названии
этого представления частичных разрядов как параметр, пока-
зывающий некоторую количественную сторону проведенных
измерений, а именно количество импульсов частичных раз-
рядов, имеющих определенные свойства. В данном конкретном
случае рассматривается некоторое количественное распреде-
ление импульсов, сгруппированных по принципу равенства
амплитуд, отраженное на графике.
Более правильным было бы в данном случае использование
другого понятия — «амплитудно-количественное распределе-
ние импульсов», что более полно и точно отражает суть пред-
ставления информации. Тем не менее, мы будем использовать
везде модифицированное обозначение данного распределения
импульсов — AQM (Amplitude Quantity Map).
Практически этот график есть распределение импульсов
частичных разрядов, иллюстрирующий зависимость коли-
чества импульсов в конкретном замере, имеющих заданную
(одинаковую) амплитуду, отложенную по оси «X». Значение
амплитуд импульсов частичных разрядов на таком графике
обычно откладывается в пикокулонах, иногда в mV. Поэтому в
дальнейшем, если в этом будет необходимость, мы будем везде
использовать эту уточненную аббревиатуру и вкладывать в нее
общепринятый смысл.
Пример такого «амплитудно-частотного распределения
импульсов» частичных разрядов в изоляции высоковольтного
оборудования, AQM-распределение, приведен на рисунке 1.12.
По горизонтальной оси графика отложены значения кажущих-
ся зарядов зарегистрированных импульсов (или амплитуды
импульсов в милливольтах), а по вертикальной оси отложено
количество зарегистрированных импульсов частичных раз-
рядов, имеющих такое значение амплитуды.
Рис. 1.12. Амплитудно-частотное
распределение (AQM) импульсов частичных
разрядов в замере.
На этом ри-
сунке, для при-
мера, показаны
два графика,
различающихся
по виду. В дан-
ном конкретном
случае это про-
сто иллюстра-
ция результатов
обработки неких
абстрактных
замеров, не не-
сущая большой
смысловой нагрузки. Никакой дополнительной, диагностиче-
ской или какой-то иной информации форма данных графиков
нам не дает.
Хочется сказать по поводу такого распределения импуль-
сов несколько больше. За все время практической деятель-
ности сотрудников фирмы «DIMRUS» нам ни разу не удалось
сколько-нибудь эффективно использовать такое распределение
импульсов частичных разрядов в замере. В наибольшей мере
это относится к проводимой нами диагностике типов дефектов
в изоляции, к определению степени их развития. И в настоя-
щее время в состав нашей «стандартной» экспертной системы
«PD-Expert» распределение AQM не входит.
Поскольку другие исследователи AQM распределение ис-
пользуют и, как они утверждают, делают это они достаточно
успешно, мы решили также включить его описание в наш крат-
кий обзор, сделав
свои пояснения.
На рисунке 1.13.
приведена более
важная для практи-
ки, стандартизован-
ная кривая измене-
ния интенсивности
частичных разрядов
в процессе дли-
тельной работы и
старения изоляции
высоковольтного
оборудования. Это
стилизованная «ли-
Рис. 1.13. Изменение интенсивности
частичных разрядов в процессе работы
высоковольтного оборудования.
НИЯ жизни» изоля-
ции, справедливая для большинства единиц эксплуатируемого
высоковольтного оборудования. Для удобства объяснений эта
кривая разбивается по времени на 5 зон, на пять основных
периодов жизни высоковольтной изоляции.
На первом этапе эксплуатации изоляции это зона «1», сразу
же после ее изготовления и ввода в работу принимаются все
меры для того, чтобы улучшить состояние изоляции. На этом
этапе может проводиться дополнительная сушка изоляции,
очистка, устранение мелких дефектов. Этап характеризуется
стабильным состоянием и, может, даже некоторым улучшением
свойств изоляции.
Интервал времени «2» является основным для нормально
изготовленного и эксплуатируемого высоковольтного обо-
рудования, в идеале он имеет максимальную длительность.
В течение этого времени уровень частичных разрядов невелик
и практически не изменяется. Оборудование эксплуатируется
без ограничений, интервалы времени между проведениями
измерений частичных разрядов определяются имеющимися на
предприятии нормативами. Чаще всего измерения частичных
разрядов в контролируемой изоляции совмещаются с прово-
димыми регламентными и ремонтными работами.
Интервал времени «3» характеризуется возникновением
в контролируемой изоляции дефектов в начальных стадиях
развития. Чаще всего это вызывается процессами старения
изоляции, иногда — механическими повреждениями верх-
них слоев изоляции. На этом временном этапе наблюдается
устойчивый тренд в росте интенсивности частичных разря-
дов, от измерения к измерению количество и общая энергия
частичных разрядов возрастает. Возникшие зоны дефектов
расширяются.
Интервалы времени между проведением измерений ча-
стичных разрядов существенно сокращаются. Величина этих
интервалов между измерениями зависит от реальной скорости
роста интенсивности частичных разрядов. Обычно граница
этого этапа жизни высоковольтной изоляции соответствует
увеличению интенсивности частичных разрядов в 4—8 раз.
Временной интервал «4» на графике соответствует времен-
ной фазе, когда дефекты изоляции уже начинают развиваться
самостоятельно и «лавинообразно». Они уже настолько раз-
вились «в ширину», что имеются предпосылки для перехода
на другой уровень деградации изоляции. Например, дорожки
науглероживания изоляции по поверхности, называемые «тре-
ками», имеют настолько большую длину, что токи по ним ин-
тенсивно начинают возрастать. В результате дорожки начинают
нагреваться, самостоятельно расширяться и углубляться, еще
больше активизируя процесс общей деградации изоляции.
Интервал времени «5» начинается в тот момент времени,
когда интенсивность частичных разрядов начинает превышать
допустимое значение. Практически всегда, если не принимать
специальных мер по устранению имеющихся дефектов в изо-
ляции, работа высоковольтного оборудования на этом участке
заканчивается аварийно.
Качественно кривая на рисунке 1.13. справедлива для любо-
го высоковольтного оборудования. Количественные параметры
интервалов времени, их длительность и значения интенсив-
72
ности частичных разрядов имеют большие отличия для раз-
личных типов и марок высоковольтного оборудования. Даже
одинаковое оборудование, но имеющее разные годы выпуска,
могут иметь допустимые значения интенсивности частичных
разрядов, различающиеся в несколько раз.
Вопрос прогнозирования остаточного ресурса высоковольт-
ной изоляции решается на основании анализа скорости, с
которой происходит увеличение интенсивности частичных
разрядов. Чем быстрее растет эта интенсивность, тем более
опасными являются эти разряды для изоляции контроли-
руемого оборудования, тем короче прогнозируемый срок до
полного, аварийного разрушения изоляции.
1.5.2. Время-частотноераспределение
импульсов частичных разрядов в изоляции —
TFM.
Данное распределение импульсов частичных разрядов в
высоковольтной изоляции впервые было использовано ита-
льянской фирмой «ТЕСН1МР» и показало свою высокую
практическую эффективность, особенно для использования
в алгоритмах диагностики, как «ручных», так и автомати-
зированных. Полностью данное распределение называется
«время-частотным», сокращенно обозначается TFM (Time
Frequency Map).
В алгоритмах диагностики это TFM-распределение игра-
ет очень большую роль, почти такую же, как распределение
PRPD, описанное в следующем разделе, являющееся наи-
более важным для диагностики дефектов. Особенно велика
роль TFM-распределения в том случае, когда в одном кон-
тролируемом объекте существует нескольких различных или
одинаковых дефектов, а также при дополнительной отстрой-
ке от помеховых импульсов. Если высокочастотная помеха,
по разным причинам существующая в контролируемом объ-
екте, все же «просочилась» через все наши входные разборки в
итоги регистрации, то практически единственным аналитиче-
ским способом, еще позволяющим «ее остановить», является
использование TFM-распределения. Если это не сделать на
данном этапе, то помеха может уже попасть в диагностические
алгоритмы, понизив общую достоверность диагностики.
Принцип построения TFM-диаграмм предельно прост.
Он базируется на частотных свойствах импульсов частичных
разрядов, основными из которых являются частота импульса
и его длительность. Именно в этих осях строится график TFM-
распределения импульсов частичных разрядов.
По горизонтальной оси TFM-графика откладывается ча-
стота первого фронта импульса частичного разряда, которая,
согласно рисунку 1.1., определяется выражением, которое мы
приведем повторно:
' 4*Т1
В этом выражении Т1 есть время переднего фронта импуль-
са частичного разряда.
Для того чтобы понять, насколько важна для диагностики
эта величина, попробуем вспомнить, какие основные параме-
тры изоляции контролируемого объекта влияют на величину
длительности переднего фронта импульса.
- Во-первых, влияет тип частичного разряда, особенно ко-
личество зарядов, участвующих в каждом частичном разряде.
Чем больше мощность частичного разряда и чем длиннее путь
движения зарядов внутри дефекта, тем длиннее будет передний
фронт импульса, и тем ниже будет его частота.
- Во-вторых, длительность переднего фронта импульса за-
висит от удаления измерительного датчика частичных разрядов
от зоны дефекта, в которой возникают разряды. Чем больше
будет это удаление, тем более пологим будет передний фронт
импульса, тем ниже будет его частота.
- В-третьих, на длительность переднего фронта импульса
частичного разряда оказывают влияние технические пара-
метры самого первичного датчика, а также используемой из-
мерительной аппаратуры.
Для того, чтобы все эти, практически очень важные диа-
гностические признаки, не были потеряны, объединим их
в Третье Диагностическое Правило, которое сформулируем
следующим образом:
Длительность переднего фронта импульса частичного разряда
зависит от параметров изоляционной среды, в которой проис-
ходит разряд. Длительность переднего фронта увеличивается
по мере удаления измерительного оборудования (датчика) от
зоны дефекта.
По вертикальной оси TFM-распределения откладывается
полная длительность импульса частичного разряда. Согласно
нашим предыдущим определениям, это время, после которого
амплитуда любого пика в сигнале будет меньше 10% от ам-
плитуды максимального пика в сигнале. Эта величина также
зависит от многих параметров изоляции контролируемого
объекта, очень интересных для диагностики.
- В максимальной степени полная длительность импульса
частичного разряда зависит от параметров среды, расположен-
ной вокруг зоны дефекта. Это и толщина изоляции, и наличие
слоев различного типа (изолированных параллельных прово-
дников), и соотношение геометрических размеров изоляции,
наличие в оборудовании промежуточных или полупроводящих
экранов и т.д.
- Конструктивные элементы оборудования, расположен-
ные вокруг изоляции, также оказывают влияние на полную
длительность импульса частичного разряда. Именно в них
происходит конечное затухание энергии импульса.
- На полную длительность импульса частичного разря-
да, конечно, оказывает расстояние от места дефекта до места
установки измерительного датчика. Входные параметры ре-
гистрирующей аппаратуры могут настолько сильно исказить
первичный сигнал, увеличив его длительность, что в результате
проведения диагностики будут получены результаты, значи-
тельно отличающиеся от реальных.
По аналогии с предыдущими заключениями, сделанными
для других параметров, объединим эти практические выводы
в Четвертое Диагностическое Правило, которое сформулируем
следующим образом:
Полная длительность импульса частичного разряда зависит от
параметров среды, окружающей изоляцию, где происходит раз-
ряд. Данный параметр также связан с удалением измерительного
оборудования от зоны дефекта.
Пример TFM-диаграммы (время-частотного распределе-
ния импульсов частичных разрядов) показан на рисунке 1.14.
Частота импульса показана на нем в МГц, а полная длитель-
ность импульсов приведена в наносекундах.
Хотя оба эти па-
раметра близки по
своему смыслу друг к
другу (частота обрат-
но пропорциональна
времени), они откла-
дываются по различ-
ным осям графика и
являются независи-
мыми друг от друга.
Прямой связи между
этими параметрами
импульса нет. Верти-
не
200
100
________ 1
х'х
/ X X х\
/ х х х
/XX х X X
; х х х <
-\х х х Х //
\х * ж/
АХ\
/ Хх х\
'» Xw х<
Ч х/ С
' Г МГц
Рис. 1.14. Распределение
импульсов частичных разрядов
на TFM-плоскости.
кально откладываемая полная длительность импульса не яв-
ляется функцией частоты первого пика импульса частичного
разряда, это полная длительность импульса. Помнить об этом
нужно всегда.
При рассмотрении TFM-распределения очень важно по-
нимать, что в конечном итоге мы рассматриваем не свойства
самого частичного разряда (в зоне дефекта), а реакцию кон-
тролируемого объекта (вокруг зоны дефекта) на возникший
разряд.
Один и тот же импульс, имеющий одинаковые параметры,
но возникший в разных точках объекта, при регистрации будет
иметь различные частотные параметры. Отсюда следует важное
следствие, что импульсы, возникшие в одной зоне, будут иметь
одни частотные свойства, а возникшие в другой зоне — другие
частотные свойства. Именно это может позволить диагностам
создавать диагностические правила, разделяющие импульсы
по природе возникновения и локации места дефекта.
Импульсы одной природы и места возникновения будут
сосредоточены на TF-плоскости в одной локальной зоне. Им-
пульсы другой природы и места возникновения, как и им-
пульсы помех, будут сосредотачиваться в других зонах. Анализ
распределения импульсов на плоскости позволит локализовать
их параметры. Пример такой локализации импульсов приведен
на рисунке 1.14.
Из рассмотрения диаграммы можно сделать вывод, что в
одном замере мы зарегистрировали импульсы от двух раз-
ных дефектов в изоляции. Об этом говорит наличие на TFM-
диаграмме двух локальных зон, в которых сосредоточились все
зарегистрированные импульсы. Это могут быть два дефекта
различного типа или два дефекта одинакового типа, но рас-
положенные на разном удалении от нашего измерительного
оборудования.
Теперь мы готовы сформулировать очень полезное Пятое
Диагностическое Правило. Оно гласит следующее:
Если в результате использования TFM-распределения мы
получим две (или более) группы импульсов, то это означает одно
из двух. Или это два (или более) дефекта одинакового типа, рас-
положенные на различном удалении от первичного датчика, или
это два (или более) дефекта различного типа, локализация ко-
торых может быть любой.
Случайные импульсы, не связанные со стационарными
дефектами в изоляции, если бы они были зарегистрированы
в данном замере, на диаграмме бы рассредоточились также
случайным образом, не интегрируясь в локальных зонах гра-
фика. Благодаря этому, мы бы смогли исключить из анализа
более чем 90% импульсов помех.
После того, как нам удалось разделить всю информацию
в полном замере на группы, отражающие сведения только об
отдельных дефектах, мы можем сделать очень важный, мето-
дически грамотный и красивый вывод. Мы можем оценить не
общий уровень частичных разрядов в изоляции оборудования,
а определить интенсивность развития каждого конкретного
дефекта в изоляции, а, следовательно, степень его опасности
для эксплуатации. Это очень важная для практических диа-
гностов информация.
Знание о наличии двух дефектов в изоляции, например,
на нашей схематической TFM-диаграмме, сразу же приводит
к появлению закономерного вопроса, а какие это дефекты,
и как они локализованы в общем объеме изоляции контро-
лируемого объекта? Ответ на этот важнейший вопрос может
дать следующее распределение импульсов, называемое PRPD-
распределением.
1.5.3. Амплитудно-фазо-частотное распределение
импульсов — PRPD.
Амплитудно-фазо-частотное распределение импульсов ча-
стичных разрядов, так график иногда называют в отечественной
литературе, в англоязычной литературе принято обозначать
аббревиатурой PRPD (Phase Resolved Partial Discharge), что соот-
ветствует в достаточно свободном переводе понятию «Фазовое
Распределение импульсов Частичных Разрядов». Мы будем везде
придерживаться такого обозначения как общепринятого.
Это распределение является наиболее мощным диагности-
ческим средством для определения типа дефекта в изоляции.
Можно сказать более конкретно, только использование PRPD-
распределения импульсов частичных разрядов позволяет мак-
симально точно диагностировать тип дефекта в изоляции.
Обращаем внимание наших читателей на то, что в назва-
нии этого распределения (русскоязычном) понятие «частота»,
как и в вышерассмотренном представлении AQM, также ис-
пользуется как термин, определяющий количество импуль-
сов, обладающих некими равными амплитудными и иными
свойствами. К понятию «частота — величина, обратная дли-
тельности одного периода колебания» в нашем стандартном
толковании это не имеет никакого отношения. Это простое
количество импульсов и не более.
Амплитудно-фазовое распределение импульсов
Фаза синусоиды, градусы
Рис. 1.15. Распределение импульсов частичных
разрядов на PRPD-плоскости.
Пример PRPD-распределсния импульсов частичных раз-
рядов приведен на рисунке 1.15. Фоном для построения PRPD-
распределения служит условная синусоида питающей сети,
при помощи которой производится привязка момента воз-
никновения каждого импульса частичного разряда к фазе
питающего напряжения.
Амплитуда всех зарегистрированных в оборудовании им-
пульсов частичных разрядов откладывается по вертикальной
оси графика. Полярность импульсов отображается располо-
жением точки в положительной или отрицательной зоне ам-
плитуд. Каждый импульс частичного разряда, возникший в
данную (угловую) фазу синусоиды питающего напряжения,
отображается на PRPD-графике точкой в координатах фаза-
амплитуда. Если импульсов частичных разрядов с такими
параметрами «фаза — амплитуда — полярность» много, то их
количество в данной точке графика отображается цветом точки
или оттенками серого.
На PRPD-распределении последовательно и раздельно мы
должны отображать те группы импульсов частичных разрядов,
которые были сформированы в предыдущем разделе при по-
мощи TFM-распределения в некоторые группы. Это позволит
нам определить тип каждого дефекта в изоляции контролируе-
мого оборудования. Если все зарегистрированные импульсы
имеют одинаковую природу, принадлежат одному дефекту, то
TFM-распределение можно не использовать.
Практическое применение PRPD-распределения импульсов с
демонстрацией различных типов дефектов в изоляции в данном
разделе мы рассматривать не будем. Причиной является то, что
практически везде, в каждом разделе данной работы, это произ-
водится на конкретных примерах. Следует только остановиться
на некоторых специфических особенностях использования
PRPD-распределения, носящих общий характер.
Во-первых, необходимо хорошо понимать, что на поло-
жительной полуволне питающего напряжения могут иметь
место частичные разряды только отрицательной полярности.
Это исходит из классических особенностей возникновения
частичных разрядов. По этой причине следует «подозритель-
но» относиться к импульсам частичных разрядов, имеющих
положительную полярность.
Во-вторых, на отрицательной полуволне питающего на-
пряжения могут иметь место импульсы частичных разрядов,
имеющие только положительную полярность.
Причинами возникновения импульсов частичных разрядов
с «ненормальной полярностью» могут быть:
- Электромагнитные помехи, не связанные с синусоидой
питающей сети.
- Импульсы частичных разрядов, наведенные в контроли-
руемой фазе с других фаз трехфазного оборудования.
- Особенности распространения электромагнитного им-
пульса от частичного разряда в окружающей дефект зоне,
иногда приводящие к специфическому эффекту «смены по-
лярности импульса». Это достаточно сложный физический
процесс, поэтому мы не будем тратить на него время, доста-
точно просто знать об этом.
- Неправильная установка и подключение первичного дат-
чика частичных разрядов, приводящая к смене полярности
выходного сигнала датчика.
- Использование прибора регистрации частичных разря-
дов, в котором не заложена функция селекции импульсов по
полярности, а регистрируется только модуль сигнала. Таких
измерительных приборов применяется достаточно много.
Также следует понимать, что вблизи нулевой линии PRPD-
распределения практически всегда существует большое коли-
чество помех, имеющих малую амплитуду и практически не
поддающихся анализу. Амплитуда этих импульсов сравни-
тельно мала, поэтому и существуют проблемы с определением
полярности этих импульсов. Такие импульсы следует при-
равнивать к шуму и просто исключать из рассмотрения, что
рекомендуют и делают практически все фирмы, занимающиеся
диагностикой состояния изоляции по уровню и распределению
частичных разрядов.
2. ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ
И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
Любая процедура диагностирования технического состоя-
ния оборудования включает в себя несколько этапов, основ-
ными из которых являются: осмотр и оперативная оценка
текущего состояния при помощи вспомогательной первичной
информации, установка диагностического оборудования, про-
ведение измерений информативных параметров, проведение
анализа полученной информации. Самым же важным этапом
диагностирования по частичным разрядам является процедура
выявления дефектов состояния изоляции и оценка остаточного
технического ресурса оборудования.
В данном разделе попытаемся в самых общих чертах рас-
смотреть процедуры диагностирования дефектов в изоляции.
Для этого рассмотрим, в качестве примера, работу автома-
тизированной экспертной системы диагностики дефектов в
изоляции высоковольтного электротехнического оборудова-
ния. Приведем примеры некоторых моделей дефектов, а также
результаты диагностирования этих дефектов.
2.1. Обеспечение корректного измерения частичных
разрядов в изоляции оборудования
В данном разделе мы попытаемся описать последователь-
ность действий, которые обычно приходится выполнять диа-
гностическому персоналу для того, чтобы в конечном итоге
корректно оценить техническое состояние высоковольтной
изоляции контролируемого оборудования.
Данное описание будет включать в себя наиболее общие
правила, которыми чаще всего пользуются на практике. Это
не есть однозначно определенные положения, это просто наши
рекомендации. Мы приводим их здесь для того, чтобы читатель
мог заранее оценить трудоемкость и объективность возможной
диагностической процедуры. По мере набора практического
опыта читатель может сам совершенствовать и модифициро-
вать эти диагностические алгоритмы и правила, создавать
свою методику диагностирования.
2.1.1. Выбор конфигурации схемы измерения
частичных разрядов.
В первую очередь, перед проведением измерения частичных
разрядов диагносту необходимо определиться с особенностями
конструкции контролируемого оборудования, причем по-
пытаться учесть эти особенности на всех этапах проведения
диагностических работ. Необходимо оценить их влияние на
получаемое итоговое заключение. Здесь как никогда к месту
будет известная поговорка «не зная броду, не суйся в воду».
Достаточно часто даже опытные (!) специалисты, имеющие
положительные результаты в работе с одним типом обору-
дования, оптимистично и смело начинают работы с другим
типом оборудования, конструкция которого им мало известна.
В результате такая диагностика завершается в лучшем случае
скептическими взглядами эксплуатационного персонала, а в
худшем случае, что, к сожалению, случается чаще всего — дис-
кредитацией используемого метода диагностики состояния
изоляции по частичным разрядам.
Для того чтобы избежать таких азбучных ошибок, необхо-
димо очень внимательно ознакомиться с конструкцией обо-
рудования, на котором предполагается проводить диагности-
ческие работы. Это касается вопроса учета специфических
вопросов, которые влияют на процесс регистрации импульсов
частичных разрядов. Внимательного рассмотрения требуют
несколько вопросов.
В первую очередь, необходимо определиться с возможными
местами установки и типами используемых датчиков частич-
ных разрядов. Чаще всего вопрос этот сводится к определению
мест установки, тогда как тип датчиков, как и тип используемо-
го прибора регистрации частичных разрядов, известен заранее,
он зависит от имеющегося диагностического оборудования.
Вопрос выбора мест установки первичных датчиков обыч-
но не имеет больших вариаций, так как их на каждом типе
контролируемого оборудования очень мало, и они являются
достаточно стандартными. Максимальное влияние на этот
выбор может оказать целевая функция данного исследования.
В последующих разделах приведены достаточно обширные
рекомендации по этим вопросам, сгруппированные по типам
контролируемого оборудования.
Важнейшим вопросом, при решении которого абсолют-
но необходимо знание конструктивных особенностей кон-
тролируемого оборудования, является выбор конфигурации
измерительной схемы. Необходимо достаточно конкретно
определиться с количеством измерительных датчиков и ис-
пользуемых аппаратных способов селекции «истинных ча-
стичных разрядов» и отстройки от помех различной природы.
Для тех пользователей, которые привыкли для регистрации
частичных разрядов пользоваться обычными осциллографа-
ми, этот вопрос кажется не стоящим внимания. Это не так,
это может быть самая важная и практически максимально
полезная задача.
Предварительно по данному вопросу необходимо сделать
некоторые формальные пояснения. Следует правильно и хо-
рошо понимать, что такое есть «первичный датчик» для из-
мерения частичных разрядов и что такое «измерительный
канал» в приборе. Несмотря на кажущуюся похожесть, эти
важные понятия методически различаются, особенно на этапе
выбора конфигурации измерительной схемы, чем мы сейчас
и хотим заняться.
Первичный датчик для измерения частичных разрядов
— этот термин понятен и однозначен. Первичные датчики
бывают различного типа и различных марок, они могут мон-
тироваться в разных точках контролируемого оборудования,
но это всегда техническое устройство, выходной сигнал с кото-
рого пропорционален высокочастотному сигналу частичного
разряда на входе.
Измерительные же каналы в специализированных прибо-
рах, предназначенных для регистрации частичных разрядов в
высоковольтном оборудовании, при использовании одних и
тех же первичных датчиков бывают, как минимум, трех раз-
личных типов.
- Самым важным и ответственным является сигнальный
канал SCh (Signal Channel), или, как его абсолютно правильно
называют, измерительный канал. Именно в этом канале про-
изводится регистрация частичных разрядов, определяются все
основные параметры каждого импульса. Именно выходной
сигнал с этого канала в той или иной форме сохраняется в
памяти измерительного прибора и в дальнейшем используется
для диагностики состояния оборудования.
- Референсный, или опорный измерительный канал RCh
(Reference Channel), является вторым типом измерительного
канала. К входу этого канала подключаются дополнительные
датчики, сигнал с которых в данной регистрации не является
основным. Соответственно, этот сигнал в памяти прибора не
сохраняется, а используется только в различных отстройках от
помех. Выходной информацией референсного канала является,
в зависимости от его назначения, время прихода импульса по
этому каналу, выходная информация может включать в себя
полярность, а может и относительную амплитуду сигнала в
референсном канале. Чаще всего этот сигнал используется в
отстройке по времени прихода импульсов «time of arrival» по
двум или нескольким каналам.
- Шумовой, или помеховый канал NCh (Noise Channel). Этот
измерительный канал в конфигурации схемы регистрации
частичных разрядов также не является основным. Назначение
этого канала — оценивать уровень частичных разрядов или
помех в других зонах контролируемого оборудования или даже
вне контролируемого оборудования. Оценка уровня сигнала
на выходе шумового канала производится не в абсолютных
значениях, а в относительных единицах путем сравнения с
амплитудой выходного сигнала в основном, измерительном
канале.
Все эти три типа измерительных каналов в приборах раз-
личных фирм-производителей могут быть реализованы или
на аппаратном уровне, или же на программном. В первом слу-
чае производится блокирование регистрации посторонних
импульсов еще на этапе регистрации, а во втором это произ-
водится на основании алгоритмического анализа синхрон-
но зарегистрированных сигналов уже на «цифровом» уровне
представления информации.
С точки зрения общего анализа конфигурации измеритель-
ных схем, чем мы сейчас занимаемся, эти два «исполнения»
каналов измерения частичных разрядов равноценны, поэтому
о достоинствах и недостатках технической или алгоритмиче-
ской реализации каналов мы говорить сейчас ничего не будем,
оставим этот вопрос для дискуссий между разработчиками
приборов.
Сейчас мы готовы более конкретно и методически пра-
вильно рассмотреть это важнейшее понятие — «конфигурация
схемы измерения частичных разрядов» — применительно к
конкретному типу оборудования. Для удобства рассмотрим
это на примере регистрации частичных разрядов в кабельной
сборке, подключенных в общей шине в КРУ, показанном на
рисунке 2.1.
Особенностью регистрации импульсов в кабельных линиях,
подключенных к шинам кабельных сборок, чаще всего это
КРУ, является то, что расстояние между точками присоедине-
ния рядом расположенных кабельных линий к общим шинам
Рис. 2.1. Регистрация частичных разрядов в кабельных
линиях, подключенных в общем КРУ.
очень мало. На уровне шин КРУ оно не превышает одного
метра, а с учетом выключателей и зон концевой разделки ка-
бельных линий может достигать величины в 4-5 метров.
По этой причине уровень частичных разрядов, возникших,
например, в кабельной линии 4 (см. рис. 2.1.), будет мало от-
личаться от значения, измеренного на поводках заземления
линий 3 и 5, расположенных рядом. Затухание амплитуды
высокочастотных импульсов между измерительными точками
3—4 и 4—5 может составить всего несколько процентов, отку-
да бы эти импульсы по направлению не поступили в шины
КРУ.
В результате, если проводить измерения частичных разря-
дов в изоляции кабельных линий обычным одноканальным
прибором или же универсальным цифровым осциллографом,
то импульсы частичных разрядов примерно одинакового уров-
ня и формы будут зафиксированы как минимум одновременно
в трех рядом расположенных кабельных линиях с номерами
3, 4 и 5. Кроме того, в линиях 2 и 6 частичные разряды также
будут обнаружены, но несколько меньшей амплитуды, если
конечно точность измерительного прибора будет для этого
достаточна.
В эти линии 2 и 6 (в датчики на этих линиях) импульсы
частичных разрядов тоже наведут сигналы из кабельной линии
4, но поскольку расстояние до нее будет больше, чем до линий
3 и 5, затухание также будет больше. Понятно, что если мы,
используя осциллограф, сделаем диагностическое заключение
о дефектном состоянии всех 5 кабельных линий (что очень
даже вероятно), то оно не будет соответствовать реальному
техническому состоянию их изоляции. Всем известно, что
всякое неверное диагностическое заключение несет двойной
вред. Оно не только неверно и вредно само по себе, но, что
является самым важным, оно значительно снижает доверие
эксплуатационного персонала к последующим диагностиче-
ским заключениям, хотя они могут быть и верными.
Для получения максимально достоверных диагностических
заключений в данном конкретном случае мы воспользуемся
виртуальным прибором измерения частичных разрядов, по-
казанным на рисунке 2.1. В состав этого прибора мы включим
пять независимых (по входным цепям) каналов для измерения
частичных разрядов, имеющих различное методическое на-
значение.
- Основной, измерительный сигнальный канал SCh-1.
- Два референсных канала RCh-2 и RCh-3.
- Два шумовых канала NCh-4 и NCh-5.
Показанная на рисунке измерительная схема находится в
таком режиме, когда производится измерение частичных раз-
рядов в кабельной линии 4. Именно к этой кабельной линии,
как изображено на рисунке, подключен измерительный канал
нашего прибора.
Референсные каналы RCh-2 и RCh-З используются для реа-
лизации временной разборки типа «time of arrival» относитель-
но основного канала SCh-1. Если импульс высокочастотного
сигнала появится в одном из этих каналах раньше, чем в из-
мерительном канале, то импульс следует считать помехой. Этот
факт вполне очевиден, так как сигнал появится с опережением
только в одном случае — если он придет по шинам КРУ слева
или справа от контролируемого кабеля. И в том, и в другом слу-
чаях это помеха, такой импульс нужно браковать и не включать
в замер. Для исключения «неправильного» высокочастотного
импульса из регистрации служит узел сравнения 1.
Каналы регистрации амплитуды помех NCh-4 и NCn-5,
приходящих в контролируемую зону извне слева или справа,
на рисунке подключены к датчикам кабельных линий 2 и 6.
Если в момент прихода импульса по измерительному каналу
на датчиках этих каналов амплитуда импульса будет превы-
шать амплитуду в сигнальном канале, то этот импульс также
следует браковать, он тоже пришел «извне» и никак не связан
с техническим состоянием кабельной контролируемой линии
4. Для этого служит узел сравнения 2.
Единственно возможным вариантом когда импульс, не
возникший в контролируемой кабельной линии, будет заре-
гистрирован нашим прибором как импульс частичного раз-
ряда в линии, это когда импульс возникнет непосредственно в
высоковольтном выключателе, коммутирующем линию 4. Но
этот импульс имеет отношение к состоянию изоляции нашей
линии, и его нужно учитывать в регистрации.
Как уже говорилось выше, такая защищенная от помех кон-
фигурация измерительной схемы может быть реализована как
на аппаратном, так и на алгоритмическом уровне. В первом
случае необходимо использовать до пяти реальных измери-
тельных каналов, четыре из которых только блокируют реги-
страцию по основному каналу. Именно такую конфигурацию
измерительного прибора мы и показали на рисунке.
Во втором случае регистрация ведется одновременно и
одинаково по всем каналам, основному и опорным, а бло-
кировка осуществляется уже после регистрации на основе
сравнительного анализа импульсов при помощи специаль-
ных диагностических алгоритмов. По своей эффективности
оба эти метода равноценны, но по стоимости второй вариант
менее предпочтителен, хотя он может быть реализован и на
основании анализа только трех сигналов. При этом каждый
измерительный канал поочередно будет также исполнять
функции сигнального и шумового каналов, однако это будет
выполняться не в режиме реального времени, как в первом
случае, а после регистрации.
Если теперь мы захотим, например, определить техническое
состояние кабельной линии 3, а это событие наступит со 100%
вероятностью, так как нужен комплексный анализ изоляции
всех кабельных линий, то все наши первичные датчики нужно
иначе подключить к измерительным каналам виртуального
прибора. Их нужно «сдвинуть влево» на один шаг. Измери-
тельный канал нужно подключить к каналу 3, референсные
каналы подключаются к датчикам кабельных линий 2 и 4, а
шумовые каналы подключаются к датчиками кабельных линий
1 (который на нашем рисунке 2.1. не показан) и 5.
Эта процедура коммутации первичных датчиков являет-
ся достаточно сложной и ответственной, от правильности ее
выполнения полностью зависит достоверность проводимых
исследований. В некоторых случаях выполнение таких пере-
ключений под напряжением просто невозможно, в результате
резко возрастает время проведения исследований. Кроме того,
достаточно часто измерительные каналы (подключенные к
разным кабельным линиям) имеют различную калибровку
(чувствительность), что потребует также переключений в ка-
налах и в зарегистрированной информации.
Для решения этого вопроса для автоматизации этого про-
цесса в современных многоканальных приборах, предназна-
ченных для регистрации частичных разрядов, используются
внутренние коммутаторы различного исполнения. При по-
мощи таких электронных или релейных коммутаторов произ-
водится программируемое переключение между первичными
датчиками и измерительными каналами прибора. Принципи-
альная схема электронного коммутатора, реализованного в 9
канальном измерительном приборе марки «R2200», приведена
на рисунке 2.2.
1 23456789
Рис. 2.2. Использование электронного коммутатора для реализации
измерения частичных разрядов в 9 кабельных линиях при помощи
5 измерительных каналов.
Любой из 9 входных сигналов, поступающих в прибор, мо-
жет быть подключен к любому измерительному каналу при
помощи многоканального коммутатора. Это дает возможность
программировать заранее для оперативной реализации на
месте любую конфигурацию измерительного прибора. Эта
конфигурация будет учитывать реальные особенности контро-
лируемого объекта непосредственно в самом измерительном
приборе. Для каждого измерения, т.е. для каждого входного
канала, в приборе может задаваться различная чувствитель-
ность. Это определяется тем, что в разных измерительных
конфигурациях чувствительность одного и того же канала
изменяется.
На основании информации, приведенной на рисунке 2.2.,
может быть сделан практический вывод, играющий большую
роль в определении основных понятий в измерениях частич-
ных разрядов в изоляции. Можно уточнить определение, а
что такое есть многоканальный измерительный прибор, а что
такое одноканальный прибор. Если в вашем измерительном
приборе 9 входных каналов (входных разъемов, к которым
можно одновременно подключить 9 первичных датчиков),
как, например, в приборе «R2200», что это обозначает? Этот
прибор девятиканальный, и регистрация девятиканальная?
Регистрация сигналов синхронно ведется по всем измери-
тельным каналам?
Мы только что убедились, что пяти измерительных ка-
налов различного типа в одной регистрации вполне хватает
для корректного измерения частичных разрядов в кабельной
линии, находящейся в составе сложного объекта, например,
КРУ. Синхронно переключая входы этих пяти каналов, мы мо-
жем измерить частичные разряды в элементах этого сложного
энергетического объекта, эффективно отстраиваясь от помех.
Это самая сложная измерительная конфигурация для контроля
частичных разрядов, в других энергетических объектах более
сложные конфигурации встречаются крайне редко.
Снова вернемся к прибору «R2200». Внутри него как раз пять
измерительных каналов разного типа, но на внешней панели
этого прибора 9 входных разъемов, предназначенных для одно-
временного подключения 9 первичных датчиков. Используя
встроенный коммутатор, пользователь может создавать для
каждого входного сигнала свою конфигурацию, чем обеспе-
чит максимальную защиту основного измерительного канала
от помех и высокую достоверность получаемых результатов.
Следовательно, пятиканальный измерительный прибор может
последовательно провести регистрацию частичных разрядов
от девяти первичных датчиков. При необходимости весь цикл
измерительных работ по всем каналам может быть проведен в
приборе «R2200» последовательно, в автоматическом режиме,
с использованием нескольких различных или одинаковых
конфигураций, учитывающих особенности контролируемого
объекта.
Если же в вашем измерительном приборе все необходимые
разборки высокочастотных импульсов реализованы на алго-
ритмическом уровне, то необходимо синхронно регистрировать
сигналы по нескольким, желательно всем каналам, и тогда
все разборки могут быть произведены встроенной програм-
мой по всем каналам сразу. Предупредим, что такие приборы
редко имеют больше трех каналов и всегда существенно до-
роже приборов, реализующих защиту от помех на аппаратном
уровне. Это объясняется достаточно высокой стоимостью и
сложностью регистрации нескольких входных сигналов на
высоких частотах.
Например, многоканальный прибор измерения частичных
разрядов марки «MPD» фирмы «OMICRON», как и прибор
«OVM» фирмы «DIMRUS», имеющие алгоритмическую за-
щиту от помех, в несколько раз дороже, чем уже упоминаемый
выше девятиканальный прибор «R2200» фирмы «DIMRUS»,
имеющий аппаратную отстройку от помех.
Завершим этот раздел повторением уже ранее сказанной
фразы. Отстройка от импульсов помех может быть осущест-
влена как на аппаратном, так и на алгоритмическом уровне,
главное, чтобы она была максимально эффективной. Алгорит-
мы отстройки в обоих случаях одинаковые, различна только
их практическая реализация.
2.1.2. Метрологическое обеспечение процедуры
измерения и анализа распределения частичных
разрядов.
Выбрав конфигурацию измерительной схемы, обеспечи-
вающую наибольшую достоверность проводимых измерений,
перед всеми стает еще один важный практический вопрос, а
как же перевести получаемые на выходе измерительного дат-
чика сигналы, обычно имеющие размерность в вольтах и мВ,
в реальные значения величин частичных разрядов, обычно
измеряемых в пикокулонах (рК).
Здесь мы должны дать несколько пояснений по очень важ-
ной методической проблеме, которая связана с нормированием
амплитуд импульсов частичных разрядов. Формально про-
блема описывается следующим предложением: аппаратура для
измерения частичных разрядов не может быть метрологически
поверена, и не существует метрологических сертификатов на
такое оборудование. Это очень важное определение, это ответ
на часто встречающийся вопрос к производителям приборов
регистрации частичных разрядов — «ваш прибор включен в
реестр средств измерений?».
Знайте, что если вы столкнетесь где-либо с документом о
метрологической сертификации прибора измерений частич-
ных разрядов, то не сомневайтесь — это подделка или резуль-
тат недобросовестных сертификационных работ. В лучшем
случае это документ о метрологической поверке измерителя
электрических сигналов, но он не имеет никакого отношения
к процедуре достоверного измерения частичных разрядов в
изоляции высоковольтного оборудования. Такая измеритель-
ная система всегда включает в себя электронный измеритель
(только на это можно получить метрологический сертификат),
первичные датчики и электромагнитные свойства контроли-
руемого объекта, имеющего собственные параметры внутрен-
него затухания высокочастотных импульсов.
Вам могут предъявить сертификат только на «вольтметр»,
который можно использовать для измерения импульсов раз-
личной природы возникновения, в том числе и импульсов от
частичных разрядов. Но поскольку он не учитывает свойства
первичных датчиков, а самое главное, он не учитывает свойства
самого объекта контроля, данный сертификат метрологической
поверки не может быть применен к процедуре измерения ча-
стичных разрядов в данном оборудовании. Он не гарантирует
точности и даже простой достоверности измерения частичных
разрядов.
Еще раз повторим:
Оборудование для измерения частичных разрядов не может
быть метрологически поверено, а может быть только откали-
бровано «на месте», и никак иначе.
Причина, приводящая к такому выводу, достаточно про-
ста и понятна. Если частичный разряд возникает в середине
изоляции, то вполне понятно, что электромагнитная волна от
этого импульса будет распространяться во все стороны. Часть
энергии импульса затухнет внутри контролируемого объекта,
часть выйдет «наружу» и там затухнет, а часть будет зарегистри-
рована нашим датчиком. Мы практически никогда не знаем в
момент измерения, где возник импульс, и какая часть энергии
этого высокочастотного импульса достигла зоны установки
нашего датчика. Электромагнитный импульс от частичного
разряда одной энергии в разных объектах и датчиках будет
наводить электрические импульсы различной амплитуды.
Можно сказать больше, что даже электромагнитные импуль-
сы одной энергии в одном объекте, но возникшие в разных
зонах этого объекта, будут наводить в одном и том же датчике
импульсы различной амплитуды и даже формы.
Можно л и говорить в этом случае о метрологической повер-
ке измерительного оборудования, когда при одной мощности
частичного разряда выходной сигнал измерительного прибо-
ра будет различным? Конечно нельзя, так это противоречит
смыслу процедуры метрологической поверки измерительного
оборудования, которая является гарантом точности прово-
димых измерений электрических параметров.
Даже о калибровке измерительных цепей при помощи спе-
циальных калибровочных генераторов, которую мы будем
описывать ниже для каждого типа высоковольтного обору-
дования, следует говорить с некоторой осторожностью. Ведь
мы, в лучшем случае, во время этой процедуры инжектируем
тестовые импульсы только в некоторые зоны контролируемого
оборудования, доступные нам, тогда как в других зонах изо-
ляции, где также возможно возникновение частичных раз-
рядов, будет иметь место другое затухание высокочастотных
импульсов, отличающееся в разы.
Знайте, что если вы измерили энергию истинного частич-
ного разряда (по параметрам кажущегося частичного разряда)
с погрешностью в 50%, то вы получили удивительно точные
результаты, и можете собой гордиться! В этой фразе нет ни кап-
ли иронии, есть только грустная констатация простого факта,
что точнее это сделать практически невозможно. Информация
об измерениях частичных разрядов с погрешностью в 5—10%,
иногда встречающаяся в научной и технической литературе,
обычно представляется соискателями научных степеней и зва-
ний, и обычно отражает желаемое, но не реальное событие.
Этим мы завершим рассуждения о возможности метрологи-
ческой поверки измерительных приборов и попробуем ответить
на следующий вопрос, который почти уже сформулировали.
Если все так плохо с точностью, то можно ли серьезно говорить
о достоверности диагностики состояния изоляции по частич-
ным разрядам? Ответ однозначен: да, можно, да, нужно, и это
есть очень эффективный и надежный способ диагностики
состояния изоляции высоковольтного оборудования. Главное
заключается в том, что применять этот метод нужно с пони-
манием всех подводных камней, заложенных в нем.
Проблемы количественной оценки интенсивности частич-
ных разрядов в оборудовании есть, они очень важны, но они
не являются определяющими. Попробуем систематизировать
информацию, позволяющую нам говорить так.
Во-первых, проблемы с точностью, возникающие при опре-
делении амплитуды импульсов частичных разрядов, обычно
носят методический, системный характер. Интенсивность
же затухания импульсов внутри объекта носит постоянный
характер и одинакова при всех измерениях, выполняемых
в рамках одной конфигурации. Когда бы вы ни производили
свои измерения на данном объекте (естественно, что он не про-
ходил процедуру глубокой модернизации, а может и ремонта),
эти затухания постоянны и неизменны. Мониторинг - лучший
путь к повышению достоверности диагностики состояния
высоковольтной изоляции по итогам измерения частичных
разрядов. Мы уже отмечали, но скажем еще раз, именно ско-
рость нарастания интенсивности частичных разрядов в изо-
ляции является важнейшим диагностическим признаком, на
основании которого может решаться вопрос о необходимости
вывода оборудования из работы.
Во-вторых, сама проблема диагностики, включающая в
себя определение типа дефекта в высоковольтной изоляции,
обычно не сильно связана с амплитудой импульсов, в основ-
ном, она решается за счет анализа распределения импульсов,
что мы покажем ниже, в следующих разделах. Имеющее ме-
сто на практике искажение амплитуды импульсов никак не
сказывается на этом вопросе, где важнейшим является рас-
пределение импульсов относительно синусоиды питающей
сети, тип выявленного дефекта в изоляции.
Вопрос достоверности проведения измерений частичных
разрядов очень важен, многогранен и обширен. На эту тему
может быть написана отдельная книга, чего у нас в планах
нет. Мы же ограничились простым перечислением реальных
проблем повышения достоверности измерений, что уже само
по себе важно.
Последнее, что на наш взгляд необходимо сказать по во-
просу точности проведения измерений частичных разрядов,
касается стандартных способов повышения достоверности,
используемых повсеместно. Всем известно, что необходимо
стараться регистрировать максимально представительные
выборки, увеличивая время проведения регистрации, ис-
пользовать методы математической статистики, усреднения
и т.д., и т.п. Это также существенно повышает достоверность
выполнения диагностических работ.
2.1.3. Влияние параметров калибровочного импульса
на результаты измерения частичных разрядов.
При проведении измерений частичных разрядов существует
некоторый (уже второй!) метрологический феномен, который
можно сформулировать следующим образом.
Если калибровать измерительную цепь прибора регистрации
частичных разрядов при помощи нескольких калибровочных
генераторов, имеющих различную форму импульса, пусть даже
эти импульсы будут иметь одинаковую энергию, то в результате
последующих измерений можно получить данные о частичных
разрядах в изоляции, отличающиеся не только количественно,
но даже и качественно.
Эту метрологическую особенность, возникающую при
применении различных калибровочных генераторов, можно
сформулировать и несколько иначе. Форма импульса, инжек-
тируемого калибровочным генератором в контролируемый объ-
ект, кардинально влияет на получаемые результаты измерения
частичных разрядов.
Влияние формы калибровочного импульса на получаемые
результаты очень значительно. По какому бы параметру вы не
проводили бы измерения, по мощности или интенсивности
проявления частичных разрядов в изоляции контролируемого
оборудования, получение ошибки в два раза за счет особен-
ностей калибровки не является уникальной ситуацией для
практики, возможны и большие погрешности, например, на
порядок.
С точки зрения прикладного анализа качественных пара-
метров зарегистрированных частичных разрядов в изоляции
контролируемого оборудования, влияние формы калибровоч-
ного импульса также очень значительно. Дело даже доходит
до того, что при использовании одного калибровочного ге-
нератора с одной формой импульса возможно диагностиро-
вание одного типа дефекта в изоляции, а при использовании
калибровочного импульса другой формы (пусть даже равной
энергии), но от другого калибровочного генератора, в изоляции
контролируемого оборудования может быть диагностирован
дефект другого типа.
Особенно большие погрешности могут быть получены
в том случае, если одно измерение было выполнено с пред-
варительным использованием одного типа калибровочного
генератора, а через некоторый интервал времени проводятся
другие измерения частичных разрядов, для которых калибро-
вочная процедура была выполнена другим калибровочным
генератором с другой формой импульса. Если затем эти два
замера сравниваются между собой с целью выявления воз-
никновения новых дефектов или анализа временного тренда
развития дефектов, то можно представить особенности «полета
фантазии» диагноста, составляющего свой диагностический
отчет об изменениях, произошедших в изоляции контроли-
руемого оборудования «за отчетный период».
То же самое может случиться, если проводить измерения
частичных разрядов приборами производства различных фирм.
Это не является криминалом, просто у приборов разных фирм
входные цепи имеют различные частотные параметры. Даль-
нейший анализ этого вопроса оставим пользователю, здесь
нет ничего сложного.
В чем же причина этой нестабильности получаемых резуль-
татов измерения частичных разрядов в оборудовании? Почему
в одном и том же высоковольтном объекте в одно и то же время
при использовании одного и того же измерительного оборудо-
вания мы регистрируем частичные разряды различного уровня
и распределения? И в первом, и во втором случае мы ведь ис-
пользовали калибровочные импульсы одной и той же энергии,
равные, например, 10000 рК. Неужели форма калибровочного
импульса так сильно влияет на получаемые результаты? Ответ
простой и однозначный — да, именно форма калибровочного
импульса во многом определяет получаемые результаты.
Попробуем выявить причины, приводящие к таким, не-
сколько неожиданным, диагностическим результатам. Для
Рис. 2.3. Связь чувствительности
датчиков регистрации частичных
разрядов с частотой импульса.
этого проанали-
зируем частотные
свойства исполь-
зуемых первичных
датчиков регистра-
ции частичных
разрядов и пара-
метры затухания
импульсов внутри
контролируемого
объекта. Сдела-
ем это, используя
графическую ин-
формацию, приве-
денную на рисунке
2.3.
На графике достаточно условно приведены частотно зави-
симые передаточные функции двух наиболее часто используе-
мых на практике датчиков частичных разрядов — контактных
электромагнитных датчиков. Это высокочастотный трансфор-
матор тока марки RFCT и конденсатор связи марки СС.
Рассмотрим случай, когда для калибровки схемы измерения
частичных разрядов в изоляции, например, трансформатора,
был использован генератор с частотой калибровочного им-
пульса в 1 МГц. При этом предположим, что в контролируемом
трансформаторе имеют место частичные разряды с частотой
1, 5 и 10 МГц. Мы выбрали в качестве объекта контроля си-
ловой трансформатор по той простой причине, что в транс-
форматорах параллельно для измерения частичных разрядов
частот используются датчики обоих типов, для которых мы
анализируем влияние формы калибровочного импульса.
Очевидно, что импульсы частичных разрядов, возникшие
в изоляции контролируемого трансформатора и имеющие
собственную частоту в 1 МГц, будут зарегистрированы нашим
прибором с максимально высокой достоверностью по ампли-
туде. Это объясняется очень просто - именно на этой частоте
была произведена калибровка измерительной схемы.
Импульсы частичных разрядов в изоляции трансформатора,
имеющие собственную частоту 5 МГц, будут зарегистрирова-
ны нашим прибором с амплитудой, превышающую истинное
значение примерно в два раза для канала с конденсатором связи
и примерно с таким же превышением для канала с высоко-
частотным трансформатором RFCT. Это все хорошо видно из
приведенного графика.
Зарегистрированные прибором импульсы частичных раз-
рядов, имеющие собственную частоту в 10 МГц, будут иметь
на выходе двух датчиков различные погрешности по ампли-
туде. На выходе датчика марки RFCT превышение амплиту-
ды относительно истинного значения будет небольшим, не
более 10—20%, или даже погрешность будет отсутствовать,
что вполне приемлемо для практических измерений. А вот
выходной сигнал с конденсатора связи превысит истинное
значение частичного разряда в три и более раза. Не нужно
проводить какого-либо дополнительного анализа, чтобы ска-
зать, что такие отклонения могут привести к недопустимо
большим погрешностям в диагностике причин возникновения
частичных разрядов в трансформаторе, оценке ее технического
состояния.
Мы не будем останавливаться подробно на том, что если
провести калибровку импульсами с частотой 5 или 10 МГц, то
полученные в результате измерений данные будут значительно
отличаться от тех, которые были получены при калибровке
измерительной цепи импульсами с частотой 1 МГц.
Здесь мы пришли к формализации самой большой мето-
дической особенности, возникающей при калибровке изме-
рительных цепей — к пониманию того, что любая калибровка
измерительной цепи, использующей частотно-зависимые дат-
чики, также является частотно-зависимой. Чем ближе частот-
ные параметры калибровочного импульса к частоте реального
импульса частичного разряда, тем меньше будет амплитудная
погрешность. И наоборот, чем больше будут различаться часто-
ты калибровочного импульса и импульса частичного разряда,
тем больше будет реальная погрешность.
К нашему сожалению, это самая большая особенность ка-
либровочного процесса, но не единственная. При большом
желании можно, используя калибровку измерительной схемы
на нескольких частотах разными импульсами, в значительной
мере уменьшить влияние частоты калибровочного импульса
на получаемый результат. Справедливости ради отметим, что
нам не известны случаи, когда кто-то делал такую сложную
калибровку на практике, видимо, этот процесс можно рас-
сматривать как методологическую возможность, недопустимо
усложняющую процесс измерения частичных разрядов. В це-
лях «чистой науки» для получения очень точных результатов
это можно попытаться сделать на практике.
Есть вторая причина, связанная с влиянием частоты ка-
либровочного импульса на точность получаемых результатов,
и, что очень важно, учесть влияние этой причины на процесс
измерений невозможно. Это касается изменения частотных
свойств импульса от частичного разряда в зависимости от
удаления места возникновения дефекта в изоляции, от места
установки первичного измерительного датчика. Наиболее из-
вестны два варианта проявления этого эффекта — изменения
частотных свойств импульса. Один и тот же дефект в изоляции,
но расположенный на разном удалении от измерительного
датчика, будет характеризоваться импульсами, имеющими
различную частоту.
Степень проявления этого специфического явления, связан-
ного с изменением частоты импульса по мере его распростране-
ния, различна для разных типов высоковольтного оборудования.
В максимальной степени это проявляется в двух случаях.
Во-первых, он сильно проявляется в кабельных линиях и
связан с местом возникновения дефекта. Чем дальше зона воз-
никновения дефекта находится от конца кабеля, на котором
смонтирован измерительный датчик, тем ниже будет частота
регистрируемого импульса частичного разряда.
Во-вторых, в крупногабаритных высоковольтных объек-
тах, например, в мощных силовых трансформаторах, частота
импульса частичного разряда зависит от «глубины» распо-
ложения дефекта внутри трансформатора. Чем дальше зона
дефекта будет расположена от поверхности, точнее говоря,
от измерительного датчика, установленного на поверхности
бака трансформатора, тем ниже будет частота наводимых им
импульсов.
На рисунке 2.4. приведена усредненная кривая, показываю-
щая влияние расстояния между зоной дефекта и датчиком на
частоту импульса ча-
стичного разряда. Из
анализа этой кривой
можно получить неко-
торую оценку влияния
частотных параметров
калибровочного им-
пульса на чувствитель-
ность измерительной
схемы.
Можно, если опу-
стить все промежуточ-
ные выкладки, сфор-
мулировать итоговое
Рис. 2.4. Зависимость частоты
импульса от расстояния между
датчиком и зоной дефекта.
заключение следующим образом. Чувствительность измери-
тельной схемы будет различна к дефектам, возникающим на
разном удалении от первичного датчика частичных разрядов.
Изменяя параметры калибровочного импульса, можно добить-
ся максимальной чувствительности к дефектам, удаленным
отдатчика на определенное расстояние, т.е. в определенной
зоне изоляции контролируемого оборудования. При этом
чувствительность к дефектам в других зонах изоляции будет
понижена.
Заключить данный анализ нужно простой фразой. Жела-
тельно всегда калибровку измерительных цепей проводить
импульсами такой частоты, какую мы ожидаем получить от
реальных дефектов в данном оборудовании. Если последую-
щие измерения покажут, что максимальное значение в кон-
тролируемом объекте имеют импульсы частичных разрядов,
отличные по частоте от калибровочных импульсов, то кали-
бровку желательно повторить. При повторной калибровке
следует использовать тестовые импульсы, близкие по частоте
с импульсами частичных разрядов.
2.1.4. Синхронизация измерений частичных разрядов
относительно синусоиды питающего
напряжения.
Стандартная калибровка измерительной цепи, проводимая
перед измерениями, предназначена для снижения амплитуд-
ной погрешности измерений частичных разрядов. Для опреде-
ления типов дефектов в изоляции, для проведения углубленной
диагностики, оценки технического состояния изоляции в
процедуре регистрации высокочастотных импульсов должна
существовать опция «синхронизация измерения частичных
разрядов». Подчеркиваем, что синхронизация производится
в процессе каждого измерения, в то время как калибровка
проводится один раз перед измерениями.
Цель процедуры синхронизации - определение фазы (угло-
вого значения) питающего напряжения, приложенного к изо-
ляции, соответствующей моменту возникновения каждого (!)
частичного разряда.
Для общей информации можно провести оценку макси-
мально возможного количества импульсов, которые могут
возникнуть в изоляции контролируемого оборудования за
один период питающего напряжения промышленной частоты.
Если принять, что длительность импульса частичного разряда
может составить, в среднем, 10 микросекунд, а время одного
периода питающего напряжения, равного при 50 Гц 20 мил-
лисекундам, то мы можем получить 2000 импульсов.
Это, конечно, предельное значение, обычно невозможное
на практике. Реально, регистрируемое количество высоко-
частотных импульсов за один период сети редко превышает
значение 200—300 импульсов. Это тоже очень большое число,
потому что это соответствует 10—15 тысячам импульсов за
одну секунду регистрации. Нельзя не удержаться, чтобы еще
раз не напомнить, что возможность анализа такого количества
импульсов при использовании стандартного осциллографа,
сколь бы современным он не был, маловероятна. Это возможно
только при использовании специализированных регистри-
рующих приборов.
Вернемся к процедуре синхронизации. Понятно, что она
должна осуществляться в автоматическом режиме, в режиме
реального времени. Обычно в момент перехода синусоиды
питающего напряжения через нулевое значение в приборе
запускается внутренний счетчик времени высокой точности,
который к каждому зарегистрированному импульсу «припи-
сывает» текущее значение времени. После окончания текущего
периода питающего напряжения при следующем переходе
синусоиды через ноль, из минуса в плюс, счетчик времени
перезапускается заново, что делается для повышения точно-
сти измерения времени. Никаких других вариантов для осу-
ществления процедуры синхронизации импульсов с периодом
питающей сети нет. Если и существуют некоторые варианты,
то все особенности в них носят прикладной характер.
Мы включили данный раздел о проведении синхронизации
в наше методическое руководство в основном для того, чтобы
рассмотреть основные способы подачи синусоиды питающего
напряжения, используемой в целях синхронизации, в измери-
тельный, стационарный или переносной прибор. Потому что
именно этот момент является наиболее сложным для синхро-
низации процедуры измерения с напряжением в сети.
Существует всего лишь несколько способов синхронизации,
причем часть из них отличается друг от друга только небольши-
ми техническими особенностями в реализации. Рассмотрим
четыре из них последовательно, но достаточно поверхностно,
насколько это нужно для общего понимания вопроса.
- Синхронизация непосредственно по сигналу, пропорцио-
нальному приложенному к контролируемому оборудованию.
Это идеальный случай синхронизации измерений частичных
разрядов, не имеющий фазовой погрешности. Он возможен
только в одном случае, если мы можем подать в прибор сигнал
от измерительного трансформатора напряжения, имеющегося
на общих шинах с контролируемым оборудованием. Вари-
ант такой синхронизации измерения частичных разрядов в
изоляции возможен, но встречается не очень часто. Обычно
выходные сигналы измерительных TH используются в ком-
мерческом учете электрической энергии и в работе различных
средств релейной защиты и автоматики, поэтому «получить»
такой сигнал для системы измерения частичных разрядов
достаточно сложно.
- Синхронизация по напряжению питания измерительного
прибора. Этот вариант обычно используется для работы систем
мониторинга. Перед началом работы при помощи двулуче-
вого осциллографа производится оценка сдвига фаз между
синусоидами напряжений, присутствующих в цепи питания
оборудования 220 вольт, и сигнала от измерительного транс-
форматора напряжения. Таким способом определяется фазовая
погрешность низковольтного напряжения относительно вы-
соковольтного. Далее эта погрешность вводится в процедуру
регистрации как постоянная величина, на которую сдвигается
фаза возникновения всех частичных разрядов.
- Синхронизация по комплексному сигналу, поступающему
отдатчиков частичных разрядов в изоляции, установленных на
контролируемом оборудовании. Некоторые датчики частичных
разрядов могут иметь на своем выходе наряду с высокочастот-
ной составляющей низкочастотную, чаще всего вызванную
протеканием промышленного тока небольшой величины по
емкостному делителю, имеющему различную конструкцию.
Это может быть высоковольтный ввод или обычный конден-
сатор связи, включенный особенным образом. Это достаточно
удобный способ синхронизации, легко реализуемый на прак-
тике. Недостатком его является то, что ток промышленной
частоты носит емкостный характер, он опережает приложенное
промышленное напряжение на 90 электрических градусов.
Это необходимо учитывать при проведении регистрации ча-
стичных разрядов, вводя соответствующую угловую поправку,
равную 90 градусам.
- Синхронизация по радиоканалу. Это модификация пер-
вого способа синхронизации с использованием сигнала от
измерительного трансформатора напряжения, который удоб-
но использовать для синхронизации переносных приборов.
В некоторой точке подстанции устанавливается радиопе-
редатчик, который подключается к цепям измерительного
трансформатора напряжения. Передатчик излучает сигнал,
который или полностью пропорционален синусоиде питаю-
щего напряжения, или просто посылает метки, генерируемые
в момент перехода питающего напряжения через ноль, из от-
рицательной зоны в положительную зону. При помощи этого
сигнала производится синхронизация одного или нескольких
измерительных приборов, проводящих регистрацию частич-
ных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования.
Вне зависимости от того, какой способ синхронизации
процедуры измерения частичных разрядов вы будете исполь-
зовать, необходимо стараться обеспечивать максимальную
точность фазовой привязки регистрируемых частичных раз-
рядов. Максимальная точность в данном случае не означает,
что это нужно делать на пределе технических возможностей
измерительного оборудования.
Под максимально возможной точностью здесь понимается
точность привязки импульсов частичных разрядов к синусоиде
питающей сети порядка одного—двух градусов, но для самой
упрощенной диагностики не хуже, чем 5—10 электрических
градусов. Такой точности угловой привязки обычно вполне
достаточно для проведения дополнительной диагностики,
описанной ниже, в последующих разделах.
2.2. Диагностика дефектов в изоляции
на основании анализа уровня
и распределения частичных разрядов
Практически всегда после завершения процедуры реги-
страции импульсов частичных разрядов в оборудовании перед
специалистом встает ряд важных вопросов, правильные от-
веты на которые и являются итоговым, желаемым результатом
проведения всех диагностических работ.
Во-первых, всегда хочется знать, являются ли зарегистри-
рованные вами высокочастотные импульсы сигналами помех
различного происхождения, или же эти импульсы возникли
от частичных разрядов, представляющих наибольший прак-
тический интерес для диагностики состояния изоляции.
Во-вторых, если принято решение, что это информативные
импульсы от частичных разрядов, то встает следующий вопрос
— являются ли эти импульсы результатом наличия в изоля-
ции контролируемого оборудования одного или нескольких
дефектов, различных по месту возникновения.
В-третьих, всегда хочется определить тип выявленного в
изоляции дефекта, хочется оперативно локализовать место
его возникновения.
В-четвертых, и это самый главный вопрос проводимой
диагностики, а опасен ли этот дефект для дальнейшей экс-
плуатации контролируемого оборудования или же не опа-
сен. Если выявленный дефект признается опасным, то каков
остаточный ресурс изоляции, или же оборудование нужно
выводить из работы немедленно, так как остаточный ресурс
является нулевым?
Весь этот обычный диалектический путь познания, от по-
лучения исходной информации от первичных датчиков до
получения конечного диагностического заключения, можно
разделить на этапы, привязывая их к последовательному ис-
пользованию цепочки алгоритмов диагностики.
В данном разделе, ниже, мы попытаемся описать последо-
вательность действий, которые обычно приходится выполнять
для того, чтобы, имея результаты практической регистрации
частичных разрядов, в конечном итоге корректно оценить
техническое состояние высоковольтной изоляции контроли-
руемого оборудования.
Данное описание процедуры диагностики будет вклю-
чать в себя только наиболее общие логические правила,
которыми чаще всего пользуются на практике специалисты.
Это не есть однозначно определенные положения или догмы,
это просто наши практические рекомендации.
Мы приводим их здесь только для того, чтобы читатель мог
заранее оценить трудоемкость и объективность возможной
диагностической процедуры, смог правильно спланировать
свою работу, предположить возможный объем получаемого
диагностического заключения.
По мере набора практического опыта, используя результа-
ты обратной связи со службой ремонта, читатель может сам
совершенствовать и модифицировать эти диагностические
алгоритмы и правила, менять последовательность их исполь-
зования, применяя различные диагностические шаблоны и
другие методические приемы.
2.2.1. Анализ частотных и временных параметров
импульсов частичных разрядов.
Несмотря на кажущуюся простоту, анализ частотных па-
раметров и временных форм импульсов частичных разрядов
является весьма сложным методом и средством практической
диагностики. Для проведения анализа частотных свойств им-
пульсов необходимо, чтобы практический диагност обладал
достаточно глубокими знаниями особенностей конструкции
контролируемого оборудования, понимал основные особен-
ности возникновения и затухания импульсов частичных раз-
рядов в различных зонах изоляции.
Очень важным для использования этого метода является
наличие у диагноста большого практического опыта, причем
именно по данному типу контролируемого оборудования. Толь-
ко такой специалист, имеющий большой стаж практической
работы, может, используя «прямой» анализ формы импульса
частичного разряда, получить много интересной и полезной
информации о выявленном дефекте в изоляции.
По этой причине мы просто продекларируем, что частотные
свойства и форма импульса частичного разряда несут в себе
огромный объем информации о типе дефекта в изоляции,
месте его возникновения и степени развития. Вдаваться в этот
«прямой» частотный анализ импульсов частичных разрядов
мы не будем, так как это может явиться предметом другой
монографии, может, даже большей по объему, перегруженной
формулами, и сложной в понимании. Этого в данной работе,
как нам кажется, делать не нужно, ведь мы пишем «первую
книжку» об анализе состояния изоляции по частичным раз-
рядам. Пусть она останется простой и понятной.
Мы приведем здесь только описание нескольких наиболее
простых и понятных способов проведения оперативной диа-
гностики состояния высоковольтной изоляции, использующих
способы формализованного анализа частотных и временных
параметров импульсов частичных разрядов. Эти способы ча-
стотного и временного анализа хорошо известны, достаточно от-
работаны на практике многими специалистами, положительный
эффект от их применения неоспорим. Самое главное в том, что
их достаточно легко и физически обоснованно можно применять
на практике, потому что они максимально формализованы. Их
может применять специалист, не обладающий большим багажом
практических знаний о высоковольтной изоляции.
Итак, для примера, приведем наиболее типичный алгоритм
диагностики состояния высоковольтной изоляции по частич-
ным разрядам, т.е. последовательность операций, предназна-
ченных для обработки и анализа результатов замера частичных
разрядов, полученного после использования всех возможных
аппаратных средств отстройки от высокочастотных помех. На-
деемся, что эта информация будет полезна для практических
диагностов, начинающих свой непростой путь.
В первую очередь, можно, а чаще всего просто необходимо,
проанализировать информацию о зарегистрированных частич-
ных разрядах, используя стандартное время — частотное рас-
пределение — TFM. Как уже указывалось выше, этот график,
точнее говоря, эта трехмерная функциональная поверхность,
отражает связь трех важных физических параметров импульсов
частичных разрядов. Это:
- Крутизна первого фронта импульса частичного разряда,
определяемая по длительности переднего фронта импульса.
По своему физическому смыслу этот параметр определяет ча-
стоту первого пика в сигнале частичного разряда. На графике
он откладывается по горизонтальной оси, в размерности ча-
стоты импульса, хотя это может быть сделано и во временных
параметрах, что ничего методически не поменяет.
- Полная длительность импульса частичного разряда. На
графике этот параметр откладывается по вертикальной оси, в
размерности времени, в нс. Для определения этого параметра
нужно ограничить полную длину зарегистрированного сигнала
точкой спадания амплитуды до величины, составляющей не
более 10% от максимального значения амплитуды, имеющей
место в сигнале.
- Количество импульсов в замере, имеющих одинаковые
время-частотные параметры, располагающиеся на TFM-
распределении импульсов частичных разрядов в одной точке.
На графике этот параметр откладывается цветом или в оттен-
ках серого цвета, соответствующих количеству импульсов с
такими параметрами в данной точке графика.
Пример такого распределения импульсов частичных раз-
рядов на TFM-плоскости, зарегистрированных в одном замере
(по одному измерительному каналу прибора, в одной конфи-
гурации), показан на рисунке 2.5. На этом рисунке приведен
Рис. 2.5. Пример распределения
импульсов на TFM-плоскости.
результат изме-
рения частичных
разрядов от двух
дефектов в изо-
ляции (две груп-
пы импульсов в
нижней части),
плюс некоторый
уровень шума
(в верхней части
графика). Измере-
ния проводились
на имитаторе де-
фектов в условиях
лаборатории.
Алгоритм по-
следующих дей-
ствий практического диагноста, желающего максимально
эффективно использовать возможности TFM-распределения
импульсов частичных разрядов, следующий:
Первое, что нужно сделать для повышения достоверности
диагностики, это исключить из рассмотрения все импуль-
сы помех. Основным признаком сигналов помех является
бессистемное, случайное расположение этих импульсов на
TFM-плоскости. Поэтому все высокочастотные импульсы,
которые не объединились на TFM-распределении в группы,
являются «вредными» помехами. Конечно, они могут быть и
«полезными» импульсами, возникшими от еще слабо развитых
дефектов в изоляции контролируемого оборудования, но чаще
всего это помехи.
Второе. Каждая локальная группа импульсов частичных
разрядов на плоскости в дальнейшей процедуре диагностики
дефектов должна рассматриваться раздельно. В качестве при-
мера мы на приведенном в рисунке 2.5. примере достаточно
обоснованно принимаем решение о том, что один данный
реальный замер автоматически разбивается на два условных
замера в соответствии с количеством выявленных «групп» на
TFM-плоскости. С этого момента времени процедура диа-
гностики разветвляется, для каждой «группы импульсов»,
расположенной на TFM-плоскости, все дальнейшие диагно-
стические исследования должны будут вестись независимо, как
для отдельных дефектов. Если бы групп на плоскости было три,
то мы бы исходный замер разбили на три отдельных замера.
При необходимости мы можем провести проверку «идентич-
ности, или родства» импульсов частичных разрядов в каждой
выделенной группе. Это приходится иногда делать для решения
двух проблем. Во-первых, если мы хотим более точно убедить-
ся, что все импульсы данной группы имеют одинаковую фор-
му, т.е. они вызваны одним дефектом. Во-вторых, частотные
свойства «внутри» импульсов могут дать подготовленному
диагносту достаточно много информации о том, в каком ме-
сте изоляции оборудования возник данный дефект и как он
развивается.
Для проведения такой проверки мы можем воспользовать-
ся анализом частотных свойств импульса «внутри» сигнала.
Напомним, что до этого момента времени мы рассматривали
только частотные свойства первого фронта импульса, исполь-
зуя TFM-плоскость, а сейчас попробуем рассмотреть частотные
свойства остальных пиков сигнала.
В наибольшей мере для такого анализа подходят методы
анализа спектральных свойств сигналов. Для непериодических
сигналов, какими являются импульсы частичных разрядов,
лучше всего использовать не обычное преобразованием Фурье,
применяемое для периодических сигналов, а его более общее
представление, называемое вайвлет-преобразованием.
Это преобразование позволяет рассматривать частотно-
временные свойства сигналов любой формы и в любой точке,
так как анализирует сигнал в каждой временной точке произ-
веденной регистрации. Для описания непериодических сигна-
лов используется не набор периодических сигналов синусои-
дальной формы, именуемых гармониками, как это сделано в
стандартном преобразовании Фурье, а короткие единичные
импульсы специальной формы, позволяющие хорошо описы-
вать сложные непериодические процессы. Мы не будем рас-
сматривать сейчас вайвлет-преобразование и его единичные
функции, а сразу приведем некоторые итоговые результаты.
На рисунке 2.6. приведены два сигнала частичных разрядов,
имеющих различную временную форму, и два время-частотных
Рис. 2.6. Влияние частотных свойств импульсов
частичных разрядов на амплитудно-частотно-временное
отображение (вайвлет-преобразование).
отображения этих сигналов, полученные при помощи вайвлет-
преобразования. На этих графиках по горизонтальной оси
откладывается время, по вертикальной — частота, а цветом, на
нашем графике используются оттенки серого цвета, показы-
вается интенсивность колебаний в каждой точке сигнала или
их энергия. Практическим аналогом такого графика является
географическая карта горного района с горными хребтами и
долинами, где хребты показывают изменение частот, на кото-
рых выделяется максимальное количество энергии.
Из сравнения этих откликов от сигналов частичных раз-
рядов хорошо видно, что импульсы, имеющие одинаковую
крутизну переднего фронта первого импульса и одинаковую
длительность, но различные частотные свойства внутри, имеют
различное отображение на вайвлет-плоскости.
При помощи такой проверки, которая обычно проводится
внутри отдельной «локальной группы» импульсов, выделенной
на TFM-плоскости в «группу», можно более точно определить,
относятся ли все импульсы к одному дефекту, или здесь имеет
место смешение импульсов от разных дефектов в изоляции.
Если все импульсы в «группе» будут иметь примерно оди-
наковый частотный отклик (на вайвлет-плоскости), то они
имеют одинаковую природу и место возникновения. Если же
наши «географические хребты» в группе будут простираться
для каждого сигнала различно, то это будет говорить о несвя-
занности данных высокочастотных импульсов общей точкой
возникновения.
Причина такого вывода достаточно понятна и уже описы-
валась выше. Частотные свойства «средней части импульса»
определяются параметрами среды, окружающей зону воз-
никновения дефекта. Если все импульсы в «группе», в «своей
середине», затухают примерно одинаково, то это значит, что
они возникли в одном месте и имеют одинаковые частотные
параметры. Если имеет место значительное различие частот-
ных параметров импульсов на вайвлет-плоскости, то, по всей
видимости, это импульсы от различных дефектов, различной
природы возникновения, или из разных мест. Объединять
такие дефекты в общую группу нельзя.
В этом случае все импульсы внутри «локальной группы»
придется «разгруппировывать» еще на две или даже на большее
количество локальных «подгрупп». Признаком объединения в
«подгруппу» будет примерное равенство отображения частот-
ных параметров импульсов на вайвлет-плоскости, т.е. сходство
«географических карт», описывающих каждый отдельный
дефект. Импульсы каждой подгруппы теперь придется также
рассматривать раздельно.
Наиболее важную информацию для диагностики дефектов
в изоляции дает использование амплитудно-фазо-частотное
распределение импульсов частичных разрядов — PRPD, при-
мер которого приведен на рисунке 2.7. Еще раз подчеркнем
последовательность проведения диагностики. Мы все группы
импульсов, выявленные на TFM-плоскости, поочередно будем
переносить на PRPD-плоскость.
Рис. 2.7. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости.
Именно на этом этапе проведения общей процедуры диа-
гностики, используя TFM-распределение импульсов частич-
ных разрядов, мы можем определить тип дефекта, имеющего
место в изоляции контролируемого оборудования. Для этого
используются определенные нами ранее «группы и подгруппы»
импульсов, выше описанные 4 диагностических правила и
набор образов дефектов в изоляции, полученных экспери-
ментальным способом.
В этом месте описания диагностических действий мы на-
помним, что в настоящее время библиотека образов дефек-
тов если и создана, то отображаются она только на PRPD-
плоскости. Других способов создания библиотеки образов
дефектов в высоковольтной изоляции мы не знаем. Возможно
создание библиотеки образов дефектов на основе временных
форм сигналов, и такие попытки делаются, но больших дости-
жений в этом нет, так как сделать это существенно сложнее.
По сведениям из различных источников, в настоящее время
можно говорить о наличии набора из различного количества
образов дефектов, приведенных на TPFP-плоскости, под-
твержденных экспериментально. Их количество в различных
источниках варьируется от 10 до 30, хотя при внимательном
рассмотрении большая часть сложных образов дефектов со-
стоит из набора более простых.
На наш взгляд, наиболее подробная библиотека образов
дефектов в изоляции на PRPD-плоскости, сопровождающихся
частичными разрядами, имеется на сайте фирмы «Lemke».
Поэтому наиболее любопытных наших читателей отправим
к этому источнику. На рисунке 2.8. приведен пример из этого
общедоступного источника информации.
Подборка таких об-
разов дефектов пример-
но похожего содержа-
ния имеется и у других
фирм, производителей
приборов регистрации
частичных разрядов,
поэтому, по желанию,
можно с таким же успе-
хом пользоваться и этой
информацией.
Мы не повторяем в
данном разделе описа-
ние набора образов де-
Рис. 2.8. Распределение импульсов
частичных разрядов на PRPD-плоскости
при дефекте «расслоение параллельных
проводников».
фектов, так как практически везде дальше при рассмотрении
конкретных примеров диагностики дефектов в изоляции раз-
личного высоковольтного оборудования приведены и PRPD-
образы дефектов в изоляции. Часть информации, полученная
нашими сотрудниками в лаборатории, на моделях дефектов в
изоляции, приведена в разделе 2.3.
Последний этап проведения экспертной оценки наличия
дефектов в изоляции по частичным разрядам — это определе-
ние степени их развития и, самое главное, оценка опасности
выявленных дефектов для дальнейшей эксплуатации обо-
рудования. В разделе 1 данного руководства этот вопрос уже
рассматривался, и было выражено сомнение о возможности
оперативного и корректного ответа на этот вопрос. Повторим,
что это возможно, но только в двух случаях.
Во-первых, при наличии у практического диагноста обшир-
ной базы знаний об особенностях развития конкретных дефек-
тов в конкретном оборудовании или при наличии доступа к
базам образов дефектов в других источниках информации.
Во-вторых, при наличии явно выраженного тренда в ско-
рости изменения уровня частичных разрядов, обусловленных
данным дефектом. Скорость увеличения должна составлять
не менее чем пятикратного увеличения интенсивности, при-
веденной к году. Напомним, что это касается не полного уровня
частичных разрядов в замере, а только разрядов, обусловлен-
ным данным дефектом, т.е. после всех разборок и отстроек от
помех. Если пытаться прогнозировать сроки аварийной оста-
новки оборудования по общему уровню частичных разрядов
в замере, тем более, если ориентироваться на информацию,
полученную при помощи осциллографов, как бы совершен-
ны они не были, то вероятность получения диагностической
ошибки возрастает многократно.
Во всех остальных случаях, когда нет практического опыта,
когда тренд развития дефекта выражен неявно, или когда это
первый и единственный замер частичных разрядов в данном
оборудовании, доступный для анализа, недопустимо велика
вероятность выдачи необоснованного заключения о скорости
развития данного дефекта в изоляции. Дефект в изоляции есть,
мы его успешно дифференцировали по частичным разрядам,
но сразу же степень его опасности мы не сможем оценить.
По одному единственному замеру, каким бы совершен-
ным он ни был, практически невозможно определение сроков
оптимального вывода оборудования в ремонт. Мы можем диа-
гностировать дефект, но если у нас нет практического опыта
по таким дефектам в таком оборудовании, трудно оценить
реальную опасность этого дефекта. Нужен мониторинг, хотя
бы периодический, нужны несколько замеров, разнесенных
во времени.
2.2.2. «PD-Expert» — пример автоматизированной
экспертной системы диагностирования
дефектов в изоляции по частичным разрядам.
Современной тенденцией в организации и проведении диа-
гностических работ является разработка и внедрение автома-
тизированных экспертных диагностических систем. В этом
вопросе диагностика дефектов в изоляции высоковольтного
оборудования по частичным разрядам не является исключе-
нием, все больше фирм занимаются разработкой автомати-
зированных экспертных систем такого назначения. Любому
предприятию, эксплуатирующему высоковольтное оборудо-
вание, дешевле и эффективнее приобрести современную и
эффективную диагностическую программу, чем содержать
квалифицированный диагностический персонал, неся боль-
шие затраты на его обучение, оснащение и поддержку.
Вполне очевидно, что любая автоматизированная экс-
пертная система отражает конкретный взгляд на процедуру
диагностики, соответствующий мнению одного или группы
создателей этой программы. Также очевидно, что внутренний
объем знаний каждой «готовой» экспертной системы, даже в
идеальном случае, равен, а реально всегда меньше общей сум-
мы знаний, которыми обладают авторы этой диагностической
системы. В лучшем случае, экспертная диагностическая систе-
ма может корректно обрабатывать наиболее характерные, диа-
гностировать часто повторяющиеся проблемы в изоляции.
Можно определить основные целевые функции внедре-
ния автоматизированных экспертных систем диагностики
следующим образом:
- Во-первых, это реальное средство проведения оперативной
диагностики состояния изоляции высоковольтного оборудо-
вания, проводимой максимально часто, в наиболее простых
и общих случаях.
- Во-вторых, это реализация обучающей функции для прак-
тических диагностов, когда начинающий пользователь может
осваивать азы диагностики на алгоритмах, которые описаны в
экспертной системе, сверяя свои заключения с заключениями
системы. Т.е. начинающий диагност может достаточно бы-
стро достигнуть уровня, заложенного в экспертной системе
ее авторами. Важным является то, что при этом вовсе не обя-
зательно реально найти эти дефекты на практике, достаточно
обучающего аспекта.
- В-третьих, если это не закрытая, а открытая адаптивная
экспертная система, то подготовленный пользователь может
сам вносить накапливаемую им аналитическую информацию
в общую базу знаний системы. Это будет позволять пользова-
телю экспертной системы, а в идеальном случае и всем другим
ее пользователям, постоянно повышать общую эффективность
работы экспертной системы.
Нам известно достаточно ограниченное количество экс-
пертных систем диагностики состояния изоляции высоко-
вольтного оборудования по уровню и распределению частич-
ных разрядов, реально используемых на практике. Однако мы
надеемся, что это временное положение, которое с течением
времени значительно изменится, и автоматизированных систем
диагностики будет все больше и больше.
Ниже, в качестве примера, приведена краткая информация
о структуре и об особенностях работы экспертной диагности-
ческой системы «PD-Expert», разработанной сотрудниками
фирмы «DIMRUS». Причина такого выбора очевидна, автор
данного пособия является одним из разработчиков этой си-
стемы, поэтому приведенная ниже информация не нарушает
авторских прав коллектива создателей данной системы.
Нам кажется, что вы уже догадались, что в экспертной си-
стеме «PD-Expert» реализован подход к диагностике, описан-
ный в данном пособии в предыдущих разделах. В этом нет
ничего удивительного, на сегодня это наиболее общий и уни-
версальный алгоритм диагностики. Именно он реализуется в
большинстве экспертных систем диагностики, разработанных
сотрудниками других фирм. Все эти экспертные диагностиче-
ские системы, других фирм-разработчиков, естественно, от-
личаются в особенностях своей практической реализации, но
в основе своей повторяют внутренние алгоритмы диагностики,
реализованные «внутри» программного обеспечения.
Автоматизированная экспертная диагностическая система
«PD-Expert» предназначена для работы со всеми переносными
диагностическими приборами и стационарными системами
мониторинга, которые разработаны фирмой «DIMRUS». Она
использует общий формат хранения данных, используемый
во всех приборах. Этот формат данных является открытым,
доступным для использования другими разработчиками в
приборах измерения частичных разрядов и в программных
продуктах. Это очень важно при выборе диагностической
системы, она должна быть дружественной в используемых
форматах хранения информации.
Обработка первичной информации, полученной в реально
выполненном замере частичных разрядов, а также диагно-
стика типов дефектов, проводимая в системе «PD-Expert»,
иллюстрируется при помощи рисунка 2.9. На этом рисунке
показан один из основных экранных интерфейсов програм-
мы, непосредственно относящейся к процедуре диагностики
дефектов в изоляции.
Справа вверху на рабочем экране располагается стандартная
TFM-плоскость, на которой размещается вся информация о
частичных разрядах выбранного замера, относящихся к одно-
му измерительному каналу. Пользователь имеет возможность
воспользоваться двумя способами «раскладки» импульсов на
плоскости на группы.
Пользователь может выбрать «ручной способ раскладки»
импульсов частичных разрядов в отдельные группы, исполь-
зуя TFM-плоскость, когда он сам по своим диагностическим
признакам будет определять границы зон распределения им-
пульсов, относящихся к тому или иному дефекту в изоляции.
Рис. 2.9. Реализация в программе «PD-Expert» алгоритмов
разборки импульсов при помощи TFM- и PRPD-плоскостей.
Во втором способе раскладки импульсов на группы задача
будет решаться автоматически при помощи внутренних алго-
ритмов программы, когда группировку импульсов осущест-
вляет сама программа. Для этого метода пользователь может
только уточнять диагностические признаки, по которым будет
производиться раскладка импульсов на группы.
В зависимости от количества выявленных программой или
пользователем групп «похожих» импульсов на TFM-плоскости,
обладающих одинаковыми частотными и временными па-
раметрами, программа автоматически создает необходимое
количество «маленьких TFM-плоскостей», на каждой из ко-
торых будут отображаться импульсы частичных разрядов,
относящиеся только к одной локальной группе. Эти локаль-
ные распределения импульсов частичных разрядов будут рас-
полагаться на своих графиках, рядом с основным графиком
TFM и ниже его. На рисунке 2.9. 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 распределе-
ние импульсов частичных разрядов относительно синусоиды
приложенного к изоляции напряжения. Эта часть экрана по-
зволяет оперативно оценивать тип вероятного дефекта, им-
пульсы 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 диагно-
стики 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 указа-
тели, 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 импуль-
сов 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.
Базовая библиотека образов дефектов минимальной кон-
фигурации поставляется вместе с программой. При необходи-
мости пользователь может дополнительно описать и сохранить
в памяти программы образы других дефектов, в соответствии
со своим пониманием определенных дефектов, с которыми
ему приходится встречаться. Пользователь также может по
желанию самостоятельно модифицировать уже имеющие-
ся в памяти программы диагностические правила и образы
дефектов, если они, на его практический взгляд, неотложно
нуждаются в этом.
Мы не будем подробно рассматривать, как работают все
внутренние диагностические алгоритмы нашей экспертной
программы «PD-Expert», которые жестко зашиты в памяти, это
не самый принципиальный вопрос в данном случае. Мы про-
сто приведем небольшую по объему, но понятную и полезную
информацию о графических средствах настройки экспертных
диагностических правил. Это нужно для того, чтобы процедура
диагностирования стала более понятной для практических
пользователей.
Для пользователей и разработчиков экспертных систем мы
опишем, как в нашей программе создаются и редактируются
«внутренние» диагностические правила, тем более что эти
функции доступны пользователю программы «PD-Expert».
Думаем, что это будет иметь практический смысл.
Эта важная функция экспертной диагностической системы,
позволяющая совершенствовать и улучшать работу диагно-
стической части, иллюстрируется при помощи информации,
приведенной на рисунке 2.10. Порядок работы с этой функцией
программы «PD-Expert», определяющей все особенности по-
следующей автоматической диагностики дефекта в изоляции,
следующий:
- Пользователь экспертной системы, в первую очередь,
определяет наименование «будущего дефекта», алгоритм
автоматизированной диагностики которого он хочет запро-
граммировать, используя свои наработки. Это делается в верх-
ней строке окна программы. Это название дефекта будет в
дальнейшем использоваться во всех отчетах, которые будут
создаваться программой автоматически. Чем корректнее это
название будет сформулировано пользователем, тем меньше
вопросов будет возникать в дальнейшем при практическом
диагностировании данного дефекта. Пользователь также дол-
жен указать в следующей строке, в каком типе оборудования
он предполагает диагностирование данного дефекта, какие
специфические особенности он учитывает.
Наименована ае^ек^а (Ля >ающий потенциал
Место возникновения [5 |рансформ*тсх*я
|> Капельные и воздушные линии
Псобеннистн лиогносгикч <
|? Электрически! к-ЧШИНЫ
р Дру. ое осрудомние
1+1Л°б |
Реаак^ |
I |Удал |
Диагностические правила сравнения двух зон
чи— и" -и‘ пр-чи а п л "С-«<' •». «ня ЧК
(PDIJau рСиняя ► [ИМДОжая ’О
2 [f’DIJnpi > Красн > [Р01]отриьл
НЯ°о-|
Радак г [
№дал.|
Рис. 2.10. Пример использования программы «PD-Expert»
для создания диагностических правил, описывающих
конкретный дефект.
- На условной PRPD-плоскости, расположенной на экране
чуть ниже, пользователем выбираются угловые и амплитудные
зоны, в которых преимущественно должны располагаться
импульсы частичных разрядов, вызываемые данным типом
дефекта в изоляции, в данном типе высоковольтного обору-
дования. Это можно сделать двумя способами: или задавая
цифровые значения параметров зон, или же непосредственно
на графике, передвигая границы зон «мышкой». Для удобства
восприятия информации достаточно большого объема все
параметры, относящиеся к положительной полуволне сину-
соиды питающей сети, отображаются на экране компьютера
красным цветом, а относящиеся к отрицательной зоне сину-
соиды питающей сети — синим цветом. К сожалению, в на-
шем методическом руководстве, выполненным черно-белым
цветом, это не видно.
На каждой полуволне питающего напряжения пользо-
вателем могут быть определены две зоны PRPD-плоскости,
вложенные одна в другую. Внутренняя зона имеет больший
весовой коэффициент в алгоритме диагностики, чем внеш-
няя. Это тоже помогает более правильно описать требования
к импульсам частичных разрядов, возникающих при таком
типе дефекта в изоляции.
Для большего удобства пользователь может не рисовать
зоны произвольно, а взять из архива программы реальный
замер частичных разрядов, соответствующий описываемому
дефекту в изоляции, и поместить его в генератор диагностиче-
ских правил, на PRPD-плоскость. В этом случае пользователю
будет достаточно просто установить необходимые границы зон,
относящиеся к данному замеру, ориентируясь на уже имею-
щееся распределение импульсов частичных разрядов.
- Для всех выбранных на PRPD-плоскости локальных зон
математически определяются соотношения между различ-
ными интегральными параметрами импульсов в зонах. Это
соотношения между параметрами красной и синей зон. Это
соотношения параметров между зонами на каждой полуволне
питающего напряжения, внешней и внутренней. Это делается
при помощи специального конструктора логических и мате-
матических соотношений, определяющих связь параметров
между собой. Таких конструкторов (представленных табли-
цами) два, по одному для каждой зоны.
- Аналогично определяются соотношения основных пара-
метров импульсов частичных разрядов между зонами разного
цвета при помощи следующего окна программы (таблицы),
расположенного ниже.
- На заключительном этапе создания диагностического пра-
вила определяются интегральные параметры и их соотношения,
суммарно оценивающие весь замер частичных разрядов, вклю-
чая импульсы из красной зоны и из синей. Это самая нижняя
таблица в графическом окне, приведенном на рисунке.
Из этого краткого описания процедуры формирования диа-
гностического правила, показанной на рисунке 2.10., видно,
что весь алгоритм работы каждого диагностического правила
в экспертной системе «PD-Expert» сформирован согласно вы-
шеизложенному порядку проведения диагностики дефектов
в изоляции высоковольтного оборудования. Только в данном
случае процедура является максимально формализованной и
понятной для практического использования.
Следующим важным шагом в формировании общего алго-
ритма автоматической диагностики дефектов в оборудовании
различных типов является формирование диагностических
паспортов контролируемого оборудования. Необходимость
использования такой функции очевидна, учитывая наличие
больших различий и особенностей диагностирования дефектов
в различном оборудовании. Для каждого типа высоковольтного
оборудования, а может быть и марки, приходится формировать
свой диагностический паспорт.
Формирование такого диагностического паспорта, реали-
зованное в экспертной программе «PD-Expert», применитель-
но к силовому трансформатору иллюстрируется при помощи
информации, приведенной на рисунке 2.11.
Суть процедуры создания диагностического паспорта,
создаваемого на тип оборудования в системе «PD-Expert», за-
ключается в том, что необходимо корректно учитывать осо-
бенности возникновения и проявления дефектов в изоляции
различного оборудования. Поэтому для каждого типа кон-
тролируемого оборудования, может быть, даже для каждой
марки внутри типа в программе имеется возможность реали-
зовать уникальную диагностику дефектов, используя замеры
частичных разрядов.
- Во-первых, можно проводить диагностику технического
состояния изоляции на основе использования специфического
набора дефектов, возникновение которых возможно внутри
данного типа оборудования, причем, часть из этих дефектов
может быть уникальными. Это понятно, ведь диагностика
дефектов внутри изоляции, например, для трансформаторов
и электрических машин, существенно различается.
- Во-вторых, появляется возможность максимально кор-
ректно учитывать особенности проявления каждого из вы-
являемых дефектов, возникающих в изоляции оборудования
контролируемого типа.
На рисунке 2.11. показывается, как для каждого типа обо-
рудования происходит формирование диагностического па-
спорта.
- На первом этапе формирования паспорта фиксируются
основные технические параметры оборудования.
- Далее, на втором этапе, производится формирование
массива датчиков частичных разрядов, монтируемых на обо-
рудовании.
- На третьем этапе, в диагностический паспорт включа-
ются те диагностические правила, которые предназначены
[Общие параметры объекта j| Параметры датчиков | Диагностические правила |
Наименование паспорта |Диагностика по 8 ми точкам
| Т рансФорматоры
Г руппа оборудования
Характеристика оборудования |АТ ДЦ Т Н -63000-220/110
Рабочее напряжение |220 / |l 10
Рис. 2.11. Формирование диагностического паспорта
оборудования, описывающего специфику диагностики
дефектов в изоляции агрегатов различных типов.
для оборудования такого типа, и учитывают специфические
особенности данного типа высоковольтного оборудования.
Для реализации этой возможности необходимо заранее сфор-
мировать такие диагностические правила.
Диагностический паспорт определяет порядок проверки
замеров частичных разрядов на соответствие признакам кон-
кретных дефектов в изоляции оборудования, причем все про-
цедуры проводятся в автоматическом режиме.
Достоверность работы приведенной экспертной системы
достаточно высока. По простым стандартным дефектам она
не меньше 90%, т.е. в 9 из 10 случаев программа дает точный
диагноз. Для более сложных, а особенно комбинированных
дефектов, достоверность ниже, но все же она не меньше 70%.
На наш взгляд, это вполне достаточная достоверность, при-
емлемая для автоматизированной диагностики дефектов в
изоляции.
Начинающий специалист, работающий в области диагно-
стики дефектов в изоляции по частичным разрядам, делает
существенно больше ошибок. Поэтому на практике примене-
ние автоматизированных систем диагностики, хотя бы в каче-
стве обучающих, оправданно и просто даже необходимо.
По автоматизированным экспертным системам, разрабо-
танным сотрудниками других фирм, в литературе приводится
примерно такая же достоверность проводимой диагностики,
от 70 до 90% правильных диагнозов. Это примерное равенство
свойств вполне понятно, мы уже не раз говорили, все существу-
ющие автоматизированные экспертные системы диагностики
дефектов в высоковольтной изоляции используют примерно
одинаковые диагностические подходы.
2.3. Результаты практического моделирования
и диагностирования дефектов
в высоковольтной изоляции
С целью практического подтверждения всей вышеизло-
женной информации в данном разделе приведены некоторые
примеры и итоги практического диагностирования дефектов в
изоляции. Для удобства сравнения и возможности повторения
этих работ ниже приведены только результаты, полученные
с использованием лабораторных моделей дефектов в высоко-
вольтной изоляции.
Причина такого подхода достаточно понятна: в практиче-
ских условиях эксплуатации высоковольтного оборудования
такая работа могла занять многие годы, причем и через дли-
тельный промежуток времени не было бы полной гарантии
того, что реально обнаружен дефект описываемого типа. По-
нятно, что практически проверить это диагностам было бы
очень сложно, точнее говоря, вряд ли удалось бы.
Мы полагаем, что эта реальная информация, приведенная
ниже, поможет нашим читателям лучше понять особенности
анализа причин возникновения частичных разрядов в высоко-
вольтной изоляции. Измерения частичных разрядов в моделях
дефектов проводилось прибором типа «R2200» производства
фирмы «DIMRUS».
Вся полученная информация также была использована нами
для процедуры «обучения экспертной системы PD-Expert».
После проведения адаптации система «PD-Expert» уверенно
диагностировала любой из этих искусственных дефектов, на-
дежно разделяла импульсы частичных разрядов от нескольких
различных дефектов, включенных «параллельно».
Каждый тип имитатора дефекта в высоковольтной изоля-
ции, исследованный ниже, конструктивно описывается нами
достаточно подробно, чтобы любопытный читатель мог бы
повторить его, а еще лучше, если бы он смог модернизировать
его, сделать более наглядным и информативным.
2.3.1. Дефект № 1. Частичный разряд между
двумя слоями высоковольтной изоляции,
«внутренний разряд».
Дефект моделировался при помощи двух изолированных
проводников, подключенных к разным выводам высоковольт-
ного трансформатора. Частичный разряд возникает между
изоляциями проводников, что эквивалентно разряду внутри
изоляции.
Рис. 2.12. Модель дефекта
«ЧР между слоями
изоляции».
На фотографии, на рисунке 2.12.,
приведен внешний вид ячейки с
имитатором данного дефекта. В пла-
стине прозрачного изолирующего
материала сделано отверстие боль-
шого диаметра. На противополож-
ных концах отверстия установлены
токоподводящие болты, подключен-
ные к источнику регулируемого на-
пряжения промышленной частоты.
Земляной провод, как и во всех дру-
гих ячейках, располагается рядом с
цифрой, нанесенной на пластик.
К болтам внутри ячейки под-
ключены два изолированных прово-
дника, которые для получения более
характерной картины переплетены
между собой с целью увеличения
площади взаимного контакта. Тол-
щина изоляции проводников выбрана из условия обязатель-
ного возникновения частичных разрядов при подключении к
имеющемуся источнику повышенного напряжения.
На рисунке 2.13. приведено амплитудно-фазовое распре-
деление частичных разрядов, зарегистрированное на данной
ячейке. На основании анализа приведенного распределения
частичных разрядов можно отметить следующее.
Рис. 2.13. Распределение импульсов частичных
разрядов на PRPD-плоскости, возникающее
при дефекте типа «ЧР между слоями изоляции».
- При положительной полярности питающего напряже-
ния импульсы частичных разрядов имеют отрицательную
полярность, а при отрицательном напряжении питающей
сети импульсы частичных разрядов имеют положительную
полярность.
- Имеет место практически полная симметрия амплитуды
и количества частичных разрядов в изоляции относительно
нулевой линии. Интенсивность частичных разрядов одинакова
в двух полупериодах питающей сети. Эта симметрия хорошо
прослеживается при анализе положительной и отрицательной
полуволн питающего напряжения.
- Все частичные разряды располагаются в двух (симме-
тричных) угловых зонах напряжения питающей сети — 10—20
градусов (190—200 градусов для отрицательного напряжения),
и 40—90 градусов (220—270 градусов для отрицательного на-
пряжения) относительно фазы питающего напряжения. Все
импульсы сосредоточены в зонах нарастания амплитуды
питающего напряжения. В зонах спадания амплитуды пи-
тающего напряжения импульсы практически полностью от-
сутствуют.
- Максимальную интенсивность частичные разряды имеют
в угловых зонах 60—75 градусов и 240—255 градусов. В этих
угловых зонах напряжение питающей сети еще не достигло
максимума, но скорость его нарастания существенно умень-
шилась.
В целом можно сделать заключение, что реальная картина
распределения частичных разрядов, возникающая при таком
типе дефекта в изоляции, достаточно хорошо совпадает с на-
шими теоретическими рассуждениями, которые мы привели
выше.
2.3.2. Дефект № 2. Частичный разряд между
проводником, находящимся
под «плавающим потенциалом».
Дефект моделируется при помощи небольшого металличе-
ского элемента, находящегося внутри ячейки между электро-
дами, но не подключенного ни к одному полюсу испытательной
установки.
На рисунке 2.14. показан внешний вид испытательной
ячейки. Она также изготовлена из прозрачного изолирую-
Рис. 2.14. Модель дефекта
«проводник под
плавающим
потенциалом».
щего материала. В середине ячейки
располагается изолирующая пласти-
на, на верхней поверхности которой
установлен металлический эле-
мент. Верхний электрод, к которому
подключено высокое напряжение,
смонтирован с небольшим зазором,
который выбирается из условия
обязательного возникновения ча-
стичных разрядов при выбранном
напряжении.
Таким образом, в ячейке смоде-
лирован достаточно часто встречаю-
щийся дефект изоляции. В реальных
условиях это может быть любое про-
водящее включение, находящееся
внутри изоляционного промежутка
в оборудовании. Это может быть металлический конструк-
тивный элемент, установленный на изолирующем основании,
не подключенный ни к земле оборудования, ни к высокому
напряжению. Это может быть полупроводящий слой в изо-
ляции, также никуда не подключенный, предназначенный
для выравнивания потенциалов, но выполненный не совсем
корректно.
В зависимости от места возникновения дефекта типа
«проводник под плавающим потенциалом» его опасность
для дальнейшей эксплуатации изоляции очень различается.
В большинстве случаев, даже несмотря на высокий уровень
частичных разрядов, оборудование с таким типом дефекта
может работать долго и надежно.
Рассмотрим амплитудно-фазовое распределение импульсов
частичных разрядов (PRPD), зарегистрированное на имитаторе
дефекта «проводник под плавающим потенциалом», показан-
ное на рисунке 2.15. Основные особенности проявления этого
дефекта следующие.
Рис. 2.15. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости при дефекте типа «проводник
под плавающим потенциалом».
- При положительной полярности питающего напряже-
ния импульсы частичных разрядов имеют отрицательную
полярность, а при отрицательном напряжении питающей сети
импульсы частичных разрядов имеют положительную поляр-
ность. Это стандартная картина.
- Имеет место симметрия амплитуды и количества частич-
ных разрядов в изоляции относительно нулевой линии. Ин-
тенсивность частичных разрядов примерно одинакова в двух
полупериодах питающей сети. В идеальном случае картинки
распределения импульсов при двух полярностях напряжения
одинаковы, имеющиеся на рисунке отклонения, в основном,
обусловлены типом используемого имитатора дефекта.
- Все частичные разряды располагаются в двух (симметрич-
ных) угловых зонах напряжения питающей сети — (-)Ю—20
градусов (170—200 градусов для отрицательного напряжения),
и 30—85 градусов (210—265 градусов для отрицательного на-
пряжения) относительно фазы питающего напряжения.
- Все импульсы сосредоточены в зонах нарастания ампли-
туды питающего напряжения. В зонах спадания амплитуды
питающего напряжения импульсы отсутствуют. Импульсы
частичных разрядов имеют место в зонах перехода питающего
напряжения через нулевое значение, что для других дефектов
не свойственно.
- Еще одним важным отличительным признаком дефекта
«проводник под плавающим потенциалом» является то, что
амплитуда импульсов частичных разрядов практически везде
одинакова, вне зависимости от фазовой зоны питающего на-
пряжения. На большинстве практически зарегистрированных
дефектов изоляции такого типа частичные разряды сосредото-
чены водной или двух амплитудных зонах, и картина дефекта
представляет собой два отрезка прямой линии, в зонах 0—90
градусов и 180—270 градусов.
Физическая картина возникновения частичных разрядов
при таком дефекте изоляции может быть объяснена достаточно
просто. Как только напряжение на малом интервале между
металлическим элементом и электродом достигает пробивного
значения, происходит частичный разряд. Разряды возникают
как при положительном, так и при отрицательном напряже-
нии. Амплитуда разряда всегда примерно одинакова, так как
разряд происходит при приложении к пробивному участку
необходимого, но всегда одинакового напряжения.
2.3.3. Дефект № 3. «Поверхностный разряд
с земляного электрода».
Фотография ячейки имитатора, в
которой моделируется дефект с таким
наименованием, приведена на рисунке
2.16.
Высокое напряжение от источника
подключено к изолированному прово-
днику, смонтированному в виде боль-
шой петли. К «земляному электроду»
(на рисунке он вверху, рядом с цифрой
3) припаян неизолированный про-
водник, который несколько раз для
увеличения зоны контакта обмотан
вокруг изолированного высоковольт-
ного проводника. В качестве этого
электрода можно также использовать,
например, полоску фольги, намотан-
ной на высоковольтный электрод.
Рис. 2.16. Модель
дефекта
поверхностный разряд
с «земляного
электрода».
Дефект изоляции такого типа также достаточно часто встре-
чается в высоковольтном оборудовании. Он может иметь место
в концевых частях кабельных линий, при неправильной раз-
делке защитного экрана, в соединительных муфтах, в зонах
выхода секций обмотки статора из пакета магнитопровода.
Картина распределения импульсов частичных разрядов,
зарегистрированная на ячейке имитации данного дефекта,
приведена на рисунке 2.17. В ней можно выделить следующие
особенности.
- При положительной полярности питающего напряже-
ния импульсы частичных разрядов имеют отрицательную
полярность, а при отрицательном напряжении питающей сети
импульсы частичных разрядов имеют положительную поляр-
ность. Имеющиеся на рисунке отклонения можно отнести к
погрешности проводимых измерений.
- Фазовое распределение импульсов частичных разрядов
имеет аналогичную картину, как в области положительной,
так и отрицательной полярности питающего напряжения.
- Амплитудное распределение импульсов по полупериодам
питающей сети пропорционально несимметрично. Амплиту-
ды всех импульсов при отрицательном напряжении питания
больше, чем амплитуды при положительном напряжении. При
каждом фазовом угле импульсы при отрицательном напряже-
нии превышают импульсы при положительном напряжении
примерно в два раза. Этот коэффициент определен параметра-
ми нашей ячейки имитатора. В реальных условиях он может
изменяться в широких пределах в зависимости от параметров
Рис. 2.17. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости при дефекте типа «поверхностный разряд
с земляного электрода».
зоны возникновения дефекта. Чем ближе разряд (зона дефекта)
к земле, тем выше может быть этот коэффициент.
- Все частичные разряды располагаются в двух (симме-
тричных) угловых зонах напряжения питающей сети — 0—20
градусов (185—200 градусов для отрицательного напряжения)
и 30—90 градусов (210—270 градусов для отрицательного на-
пряжения) относительно фазы питающего напряжения. Все
импульсы сосредоточены в зонах нарастания амплитуды пи-
тающего напряжения. В зонах спадания амплитуды питающего
напряжения имеет место возникновения импульсов небольшой
амплитуды в зонах 120—135 градусов и 300—315 градусов.
- Максимальную интенсивность частичные разряды имеют
в угловых зонах 60—90 градусов и 235-270 градусов. В этих зонах
величина питающего напряжения еще не достигла максимума,
но скорость его нарастания существенно уменьшилась.
Основной особенностью наличия такого дефекта является
больший уровень частичных разрядов при отрицательном на-
пряжении питающей сети. Кратко физическую природу этого
можно описать следующим образом. При двух возможных
полярностях питающего напряжения, приложенного к зоне де-
фекта, интенсивность частичных разрядов будет больше в том
случае, когда потоки электронов будут «стекаться из большего
объема от большей поверхности» к меньшей зоне, в идеале, к
точечному острию. Это соответствует такому распределению
потенциалов, когда острие (меньшая зона) заряжено положи-
тельно, а большая поверхность заряжена отрицательно.
Дефект типа «поверхностный разряд с земляного электрода»
возникает в том случае, когда на земляном электроде имеют
место геометрические дефекты (локальные выступы, острые
края, «углы»). Крайней стадией проявления этого дефекта «по-
верхностный разряд с земляного электрода» является дефект
типа «корона с земляного электрода», описанный в нашем
имитаторе под номером 6.
2.3.4. Дефект № 4. «Поверхностный разряд
с высоковольтного электрода».
Фотография ячейки имитатора, в которой моделируется
такой дефект, приведена на рисунке 2.18.
Высокое напряжение от повышающего трансформатора
имитатора подключено к болту, отделенному от земляного
сферического электрода (на рисунке он рядом с цифрой 4),
имитирующему большую поверхность, изолирующей пла-
стиной.
Рис. 2.18. Модель дефекта
«поверхностный разряд
с высоковольтного
электрода».
Дефект такого типа чаще все-
го встречается в оборудовании с
очень высоким рабочим напряже-
нием — в силовых трансформато-
рах, выключателях, измерительных
трансформаторах, линиях переда-
чи. Важно не путать такой дефект
с коронным разрядом, хотя у них
достаточно много общего.
Картина распределения им-
пульсов частичных разрядов, за-
регистрированная на ячейке ими-
тации данного дефекта, приведена
на рисунке 2.19. В ней можно вы-
делить следующие особенности.
- При положительной по-
лярности питающего напряже-
ния импульсы частичных раз-
рядов имеют отрицательную
полярность, а при отрицатель-
ном напряжении питающей сети
импульсы частичных разрядов имеют положительную по-
лярность. Имеющиеся на рисунке отклонения можно отнести
к погрешности проводимых измерений.
- Фазовое распределение импульсов частичных разрядов
имеет примерно одинаковую картину, как в области поло-
жительной, так и отрицательной полярности питающего на-
пряжения.
Рис. 2.19. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости при дефекте типа «поверхностный
разряд с высоковольтного электрода».
- Амплитудное распределение импульсов по полуперио-
дам питающей сети имеет ярко выраженную асимметрию.
Амплитуды всех импульсов при положительном напряжении
питания больше, чем амплитуды при отрицательном напря-
жении. По сравнению с предыдущим дефектом все выглядит
наоборот. При отрицательном напряжении импульсы значи-
тельно, примерно в три раза, меньше, чем при положительном
напряжении. Этот коэффициент также определен параметрами
нашей ячейки имитатора. В реальных условиях, чем ближе зона
дефекта будет приближена к высоковольтному электроду, тем
выше может быть этот коэффициент.
- Все импульсы частичных разрядов сосредоточены в зо-
нах нарастания амплитуды питающего напряжения. В зонах
спадания напряжения импульсов частичных разрядов практи-
чески нет. Максимальную интенсивность частичные разряды
имеют в угловых зонах 60—90 градусов и 235—270 градусов.
В этих зонах мгновенное значение питающего напряжения
еще не достигло максимума, но скорость его нарастания уже
существенно уменьшилась.
Основной особенностью наличия такого дефекта является
больший уровень частичных разрядов при положительном
напряжении питающей сети. Этот дефект типа «поверхност-
ный разряд с высоковольтного электрода» по картине своего
проявления противоположен предыдущему дефекту «поверх-
ностный разряд с земляного электрода».
Не повторяясь в общих описаниях, можно сказать следую-
щее. Дефект типа «поверхностный разряд с высоковольтного
электрода» возникает в том случае, когда на высоковольтном
электроде имеют место геометрические дефекты (большая
поверхность, локальные выступы, острые края, «углы»). Край-
ней стадией проявления этого дефекта является дефект типа
«корона», описанный в нашем имитаторе под номером 5.
2.3.5. Дефект №5.
«Корона с высоковольтного электрода».
Фотография ячейки имитатора, в которой моделируется
такой дефект, приведена на рисунке 2.20.
Высокое напряжение от повышающего трансформатора
подключено к электроду типа «игла». Земляной проводник
большой поверхности площади имитирует болт со сферической
поверхностью увеличенной площади.
Рис. 2.20. Модель дефекта
«корона
с высоковольтного
электрода».
Дефект такого типа чаще всего
встречается в оборудовании с очень
высоким напряжением — в силовых
трансформаторах, выключателях,
измерительных трансформаторах.
Чем выше рабочее напряжение кон-
тролируемого оборудования, тем в
большей степени на его работу вли-
яют коронные разряды.
Сами по себе коронные разряды,
чаще всего, не опасны для изоляции
контролируемого оборудования. Их
отрицательное влияние заключается
в том, что они, являясь шумовыми,
мешают диагностике других дефек-
тов изоляции, влияние которых на
остаточный ресурс оборудования
велико.
Картина распределения импульсов частичных разрядов,
зарегистрированная на ячейке имитации данного дефекта,
приведена на рисунке 2.21. Эта картина не совсем характерна
для обычной высоковольтной короны, но определенное сход-
ство имеется. Реальное распределение импульсов частичных
разрядов от короны, чаще всего встречаемое на практике, от-
личается от приведенного на рисунке 2.21. Основное отличие
состоит в том, что имеющееся в имитаторе напряжение недо-
статочно для полной имитации разрядов короны.
Рис. 2.21. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости при дефекте типа
«корона с высоковольтного электрода».
На рисунке можно выделить следующие особенности
амплитудно-фазового распределения импульсов частичных
разрядов.
- При положительной полярности питающего напряжения
зарегистрированные импульсы частичных разрядов имеют
отрицательную полярность, как и при отрицательном напря-
жении питающей сети.
- Фазовое распределение импульсов частичных разрядов
имеет примерно одинаковую картину, как в области поло-
жительной, так и отрицательной полярности питающего на-
пряжения.
- Амплитудное распределение импульсов по полуперио-
дам питающей сети имеет ярко выраженную асимметрию.
Амплитуды всех импульсов при положительном напряже-
нии питания многократно больше, чем амплитуды при от-
рицательном напряжении. В реальных условиях, чем ближе
зона возникновения коронных разрядов будет приближена к
высоковольтному электроду, тем выше будут импульсы при
положительном напряжении.
- Все импульсы частичных разрядов сосредоточены в зонах
максимальных значений амплитуды питающего напряжения.
(На нашем имитаторе это проявилось не совсем корректно.)
Максимальную интенсивность частичные разряды обычно
имеют в угловых зонах 60—120 градусов и 150—300 градусов. В
этих зонах мгновенное значение питающего равно или при-
ближено к максимальному значению.
Основной особенностью наличия в контролируемом обо-
рудовании дефекта типа «корона» является большой уровень
отрицательных частичных разрядов при положительном на-
пряжении питающей сети. Основные частичные разряды со-
средоточены в области максимального значения питающего
напряжения. При отрицательном напряжении питающей сети
импульсов частичных разрядов много меньше, и они имеют
отрицательную полярность (!).
Дефект типа «корона с высоковольтного электрода» возни-
кает в том случае, когда на высоковольтном электроде имеет
место геометрический дефект типа «игла». При приложении к
«игле» положительного потенциала потоки электронов устрем-
ляются от «земли» к «игле», по мере приближения эти потоки
сливаются, набирают большую мощность и проявляются в
виде разрядов с высокой энергией. При противоположной по-
лярности приложенного напряжения имеет место растекание
электродов от «иглы». В процессе растекания потоки электро-
нов делятся на все более мелкие «ручейки», энергия их падает,
интенсивность уменьшается.
2.3.6. Дефект № 6. «Корона с земляного электрода».
Рис. 2.22.
Модель дефекта
«корона
с земляного
электрода».
Фотография ячейки имитатора, в кото-
рой моделируется такой дефект, приведена
на рисунке 2.22.
Высокое напряжение от повышающего
трансформатора имитатора подключено к
сферическому электроду, имитирующему
большую поверхность высоковольтного про-
водника. Земляной проводник малой пло-
щади (рядом с цифрой 6) имитирует обыч-
ный болт, отделенный от высоковольтного
проводника изолирующей пластиной.
Картина распределения импульсов ча-
стичных разрядов, зарегистрированная на
ячейке имитации данного дефекта, приве-
дена на рисунке 2.23. В ней можно выделить
следующие особенности.
- При положительной полярности питающего напряже-
ния импульсы частичных разрядов имеют отрицательную
полярность, а при отрицательном напряжении питающей сети
импульсы частичных разрядов имеют положительную поляр-
ность. Имеющиеся на рисунке отклонения можно отнести к
погрешности проводимых измерений.
- Фазовое распределение импульсов частичных разрядов
имеет примерно одинаковую картину, как в области поло-
жительной, так и отрицательной полярности питающего на-
пряжения.
Рис. 2.23. Распределение импульсов частичных разрядов
на PRPD-плоскости при дефекте типа
«корона с земляного электрода».
- Амплитудное распределение импульсов по полупериодам
питающей сети имеет ярко выраженную асимметрию. Ампли-
туды всех импульсов при положительном напряжении питания
меньше, чем амплитуды при отрицательном напряжении.
- Все импульсы частичных разрядов сосредоточены в зо-
нах нарастания амплитуды питающего напряжения. В зонах
спадания напряжения импульсов частичных разрядов практи-
чески нет. Максимальную интенсивность частичные разряды
имеют в угловых зонах 40—90 градусов и 220—270 градусов.
В этих зонах мгновенное значение питающего напряжения
еще не достигло максимума, но скорость его нарастания уже
существенно уменьшилась.
Основной особенностью наличия такого дефекта является
больший уровень частичных разрядов при отрицательном на-
пряжении питающей сети.
Не повторяясь в общих описаниях, можно сказать следую-
щее. Дефект типа «коронный разряд с земляного электрода»
возникает в том случае, когда на земляном электроде имеют
место геометрические дефекты (большая поверхность, локаль-
ные выступы, острые края, «углы»).
2.4. Практическое сравнение чувствительности
приборов измерения частичных разрядов,
работающих в разных диапазонах частот
Для сравнения чувствительности нескольких приборов
измерения частичных разрядов, работающих в различных
частотных диапазонах, сотрудниками фирмы «DIMRUS» были
проведены специальные исследования. Целью исследований
было определение практической применимости измерительных
систем (приборов и датчиков, работающих в разных диапазонах
частот) для регистрации частичных разрядов, возникающих
от различных типов дефектов в изоляции.
Нам хотелось практически проверить, на самом ли деле
электромагнитные импульсы от всех типов дефектов в изо-
ляции можно зарегистрировать во всех частотных диапазонах.
Если читатель помнит, то такое заключение мы делали в первой
главе данной книги. Если подтверждение будет получено, то
все наши заключения верны, а если нет, то мы снова в начале
пути, снова придется заниматься совершенствованием методов
и средств диагностики состояния изоляции по частичным
разрядам.
Основной целью проведенных работ была попытка по-
пробовать практически решить очень важный методический
вопрос, а какой же частотный диапазон работы приборов,
предназначенных для регистрации импульсов частичных раз-
рядов от дефектов в изоляции, является наиболее информа-
тивным. В каком практическом случае нам удастся провести
диагностику состояния высоковольтной изоляции наиболее
оперативно, точно и с меньшими информативными потеря-
ми. Существует ли на практике идеальный диапазон частот,
только в котором следует всегда проводить все необходимые
измерения частичных разрядов, или же все используемые на
практике частотные диапазоны и на самом деле являются
равно информативными.
Для получения сопоставимых результатов все измерения
проводились на одних и тех же моделях дефектов в изоля-
ции, излучающих один и тот же уровень электромагнитных
импульсов (по результатам калибровки). Всем очевидно, что
это единственный путь для проведения сравнительных ис-
следований.
Итогом исследований, по плану, должно было быть уточне-
ние обобщенного понятия «информативности того или иного
частотного диапазона для регистрации импульсов от частич-
ных разрядов». Данное понятие рассматривалась нами как со-
вокупность нескольких параметров. Основными критериями
информативности были:
- Возможность регистрации излучения отданного дефекта
в каждом частотном диапазоне, мы повторяем — просто воз-
можность. Практически решался вопрос, можно ли зареги-
стрировать частичные разряды от всех имеющихся моделей
дефектов, используя измерительное оборудование, работающее
в данном частотном диапазоне (при заданном уровне развития
дефекта).
- Определение реальной чувствительности приборов, ра-
ботающих в каждом частотном диапазоне, применительно к
данному дефекту. Чувствительность методов определялась в
относительных единицах при сравнении показаний всех при-
боров, полученных в равных условиях, друг с другом. Выявля-
лись частотные диапазоны, в которых регистрация импульсов
от конкретного дефекта предпочтительна.
Несмотря на кажущуюся наивность поставленной задачи,
решение этих двух вопросов являются основополагающим при
проведении практической диагностики состояния высоко-
вольтной изоляции, при выборе того или иного измерительного
прибора, определении используемого оптимального диапазона
частот. Мы покажем ниже, что полученные результаты значи-
тельно изменили наше отношение к этому вопросу. Думаем,
что они также изменят и ваше отношение к регистрации ча-
стичных разрядов в различных диапазонах частот.
Объектом проведения измерений были натурные модели че-
тырех различных видов дефектов в высоковольтной изоляции.
Эти дефекты отличались от описанных в предыдущем разделе.
Различие было в том, что данный имитатор имел трехфазную
конструкцию, и различные дефекты моделировались в разных
фазах. Рабочее напряжение на дефектах было существенно
выше, чем в предыдущих исследованиях.
При проведении измерений анализировалось взаимное
влияние дефектов в фазах друг на друга. Это позволяло модели-
ровать одновременно несколько дефектов и разделять их друг
от друга при помощи технических и программных средств.
Были использованы модели следующих дефектов:
- Дефект 1 — коронный разряд на высоковольтном элек-
троде.
- Дефект 2 — поверхностный разряд с высоковольтного
электрода.
- Дефект 3 — частичный разряд внутри изоляции.
- Дефект 4 — плавающий потенциал.
Отметим, что физические модели этих дефектов отличаются
от моделей, описанных выше, это был другой, более высоко-
вольтный имитатор дефектов.
В процессе проведения исследований для регистрации ча-
стичных разрядов были использованы три различных измери-
тельных прибора производства одной фирмы «DIMRUS».
Это были:
- Прибор 1 - «Ultra Test», работающий в диапазоне частот от
20 до 100 кГц (LF — Low Frequency). Датчиком прибора является
пьезоэлектрический микрофон с частотой резонанса 40 кГц,
в районе которой прибор имеет максимальную чувствитель-
ность. В процессе измерений также тестировалось влияние
удаления прибора от зоны дефекта на получаемые результаты,
на чувствительность в данном частотном диапазоне. Также
определялось влияние угла направления микрофона на кон-
тролируемый дефект.
- Прибор 2 — «R2200», работающий в диапазоне частот от
0,5 до 15 МГц (HF — High Frequency). Прибор имеет 9 входных,
независимых каналов, но при всех измерениях использовался
только один измерительный канал. В качестве первичного
датчика использовался высокочастотный трансформатор-
ный датчик марки «RFCT-5», также производства фирмы
«DIMRUS». Датчик монтировался на цепи заземленного про-
водника, подающего высокое напряжение на модель дефекта
в изоляции.
- Прибор 3 — «UHF-Recorder», работающий в диапазоне
часто 100—900 МГц (UHF — Ultra High Frequency). В качестве
первичного датчика использовалась направленная логопе-
риодическая антенна, направляемая на зону дефекта. Вторая
антенна, штыревая, использовалась для регистрации общего
уровня помех, который вычитался из сигнала с направленной
антенны.
Такой выбор определялся, в основном, доступностью дан-
ных приборов для наших исследователей. Как уже сказано
выше, целью проведенных исследований было определение
эффективности измерительных приборов, работающих в раз-
личных диапазонах частот, применимость для практической
регистрации импульсов от различных типов дефектов в изо-
ляции. Задачей было не сравнение между собой конкретных
марок приборов, а сравнение методов регистрации частичных
разрядов, реализованных в различных частотных диапазо-
нах.
Мы не включили эту практически полученную информа-
цию в первую главу, где делали попытку определиться с опти-
мальным частотным диапазоном для регистрации частичных
разрядов, по очень простой причине. Эта реальная информация
получена по ограниченному объему исследований, только по
четырем моделям дефектов, по результатам применения трех
разнотипных приборов производства одной фирмы. Кроме
того, надо помнить, что мы калибровали эти дефекты, ис-
пользуя только один прибор, работающий в HF-диапазоне
частот. При анализе других типов дефектов и другой кали-
бровке результаты могли быть другими. Это просто частное
диагностическое заключение, полученное в частном случае.
Нам кажется, что этот важный методологический вопрос
диагностики еще ждет своего исследователя и своего теоретика.
Только после проведения дополнительного изучения данного
вопроса возможно появление однозначных заключений, ка-
сающихся преимуществ и недостатков отдельных частотных
диапазонов, используемых для измерения частичных разря-
дов в изоляции. Именно по этой причине мы не привели эту
информацию в первой главе, где описаны наиболее важные
понятия и определения, проверенные практикой.
После поверхностного анализа полученной информации
мы решили продвинуться дальше и проанализировать ее так,
чтобы можно было сравнить чувствительность приборов, ра-
ботающих в разных диапазонах частот, применительно к раз-
личным дефектам.
Ниже приведена информация по измерению частичных
разрядов от 4 моделей дефектов, электромагнитное излучение
от которых было зарегистрировано всеми тремя измеритель-
ными приборами. По ним и сделана дополнительная оценка
чувствительности трех измерительных приборов, оценка трех
методов. Вся практическая полученная информация после
проведения обработки и анализа измерений сведена в три
итоговых графика.
Рис. 2.24. Сравнение чувствительности
приборов регистрации частичных разрядов,
работающих в диапазонах частот HF и UHF.
На рисунке 2.24. приведены результаты сравнения чув-
ствительности двух измерительных приборов, «R2200», рабо-
тающего в диапазоне частот «HF», и прибора «UHF-Recorder»,
работающего в «1}НР»-диапазоне частот.
Графики, приведенные на этом рисунке, строились следую-
щим образом. Базовым параметром для сравнения приборов
между собой был относительный уровень выходного сигнала,
показываемый каждым прибором. Например, если неким из-
мерительным прибором измерялся выходной уровень, равный
одному вольту, в то время как максимальный выходной сигнал
этого прибора мог равняться пяти вольтам. Соответственно,
считалось, что выходной сигнал этого прибора составляет в
данном режиме 0,2 относительных единиц.
Напряжение от повышающего трансформатора, которое
прикладывалось к моделям дефектов, также фиксировалось
в относительных единицах. Оно менялось от нулевого зна-
чения до максимального значения, т.е. от нуля до единицы.
Измерения выходных сигналов всех приборов производилось
при фиксированных, одинаковых значениях приложенного к
дефектам напряжения.
Далее проводилось попарно сравнение чувствительности
измерительных приборов. На рисунке 2.24. приведены резуль-
таты сравнения приборов «UHF-Recorder» и «R2200» между со-
бой. Для каждого дефекта определялось отношение выходного
сигнала прибора «UHF-Recorder» к выходному сигналу прибора
«R2200», все в относительных единицах. Получался новый
безразмерный коэффициент, показывающий относительную
чувствительность двух приборов относительно друг друга,
приведенную к различным приложенным напряжениям.
Информацию, приведенную на рисунке 2.24., можно интер-
претировать следующим образом. Если бы линия сравнитель-
ной чувствительности, соответствующая конкретному дефекту
в изоляции, прошла бы под углом 45 градусов, по пунктирной
линии, то можно было бы говорить, что оба измерительных
прибора имеют одинаковую чувствительность к данному де-
фекту. Если линия относительной чувствительности идет
выше пунктирной линии, то более чувствительным к данно-
му дефекту является прибор «UHF-Recorder» (вертикальная
ось), работающий в «иНЕ»-диапазоне частот. Это относится
к дефектам «1 — корона на высоковольтном электроде» и «4 —
плавающий потенциал».
Для двух дефектов, «2 — поверхностный разряд с высоко-
вольтного электрода», и «3 — частичный разряд внутри изо-
ляции», лучшую чувствительность имеет прибор «R2200»
(горизонтальная ось). Этот прибор производит измерения
частичных разрядов в изоляции, регистрируя излучение в
«НЕ»-диапазоне частот. Таким образом, по этим двум приборам
мы имеем примерно одинаковые сравнительные параметры.
Два дефекта лучше измеряет прибор «UHF-Recorder», а два
других — прибор «R2200».
Ultra-Tester
Рис. 2.25. Сравнение чувствительности приборов
регистрации частичных разрядов, работающих
в диапазонах частот LF и НЕ
На рисунке 2.25. приведены результаты другого сравнения
чувствительности двух приборов «Ultra-Tester» и «R2200», ра-
ботающих в диапазонах частот «LF» и «HF». Как и в первом
случае, сравнение выполнено на основании анализа резуль-
татов практических измерений на моделях дефектов. Порядок
преобразования первичной информации, для сравнения, такой
же, как и для первых двух приборов.
Из приведенной на рисунке информации можно сделать
следующие выводы. Для дефекта «3 — частичный разряд вну-
три изоляции» оба метода (прибора) имеют примерно равную
чувствительность. Для трех других дефектов, особенно для
дефекта «4 — плавающий потенциал», чувствительность при-
бора «Ultra-Tester» существенно ниже.
Информация на данном рисунке говорит о наибольшей
эффективности использования измерительных приборов,
работающих в «НЕ»-диапазоне частот, в данном конкретном
случае это прибор «R2200». Этот прибор имеет лучшую чув-
ствительность для трех из четырех рассматриваемых дефек-
тов в изоляции, а по одному типу дефекта приборы примерно
равны.
Ultra-Tester
Рис. 2.26. Сравнение чувствительности приборов
регистрации частичных разрядов, работающих
в диапазонах частот LF и UHF.
На рисунке 2.26. приведена информация по сравнению
эффективности практического применения приборов «Ultra-
Tester» и «UHF-Recorder», работающих в диапазонах частот «LF»
и «UHF». Это сравнение интересно тем, что данные приборы
работают в диапазонах частот, которые далеко разнесены друг
от друга. Частоты регистрации сигналов частичных разрядов
в этих приборах отличаются более чем в десятки тысяч раз.
Из приведенного рисунка хорошо видно, что прибор «Ultra-
Tester» эффективен для двух дефектов (поверхностный разряд
и разряд внутри изоляции), а прибор «U Н F-Recorder» эффек-
тивен для регистрации коронных разрядов и плавающего по-
тенциала. Разница в чувствительности этих приборов для
различных дефектов очень велика, в несколько десятков раз.
Практическим результатом этого может явиться ситуация,
когда после измерения разрядной активности в одном контро-
лируемом объекте несколькими приборами будут выявлены
или не выявлены вообще различные типы дефектов в изо-
ляции. Естественно, что такие результаты вызовут сомнения
даже у самого диагноста, не говоря уже об эксплуатационном
персонале.
Выводы:
1. По результатам сравнения чувствительности измеритель-
ных приборов, предназначенных для регистрации частичных
разрядов, выявлено, что наиболее равномерную чувствитель-
ность к различным дефектам имеет прибор «R2200», работаю-
щий в диапазоне частот «HF» от 0,5 до 15 МГц.
2. Измерительные приборы, работающие в ультразвуковом
диапазоне частот «LF», имеют максимальную чувствительность
для регистрации импульсов от дефектов типа «поверхностный
разряд с высоковольтного электрода» и «разряд внутри изо-
ляции».
3. Приборы, работающие в «ПНР»-диапазоне частот, имеют
максимальную чувствительность для регистрации импульсов
частичных разрядов от дефектов типа «коронный разряд» и
«плавающий потенциал».
Мы не будем заключать данный раздел бескомпромиссным
заявлением о преимуществе того или иного частотного диа-
пазона, оставив принятие конечного заключения, соответ-
ствующего конкретным условиям, на нашего читателя, не все
просто и однозначно в этом важном методическом вопросе.
Конечно, по итогам этих исследований всем захочется
иметь многоканальный (конкретно говоря, трехканальный)
прибор, одновременно и, конечно, синхронно производящий
измерения частичных разрядов в трех различных диапазонах
частот. В этом случае практические диагносты будут иметь
максимально информативный результат.
Нам кажется, что такие универсальные приборы достаточно
скоро начнут применяться на практике, дело лишь за произ-
водителями измерительной техники, такие приборы нужно
разрабатывать и производить в промышленных объемах.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Оценка технического состояния изоляции маслонаполнен-
ных трансформаторов по уровню и распределению частичных
разрядов является одной из наиболее сложных технических
задач для рассматриваемого нами метода диагностики. Од-
нако, с другой стороны, этот вопрос является очень важным
для службы эксплуатации высоковольтного оборудования. Это
приводит к тому, что очень часто не совсем подготовленные
специалисты в области анализа измерения и анализа частич-
ных разрядов по просьбе служб эксплуатации берутся за ре-
шение этой задачи. Большая часть отрицательного отношения
практиков к применению метода анализа состояния изоляции
по частичным разрядам возникло и возникает по причине
таких неподготовленных работ.
Основной проблемой, возникающей при проведении изме-
рений частичных разрядов в изоляции высоковольтных транс-
форматоров, является очень сложная отстройка от помех.
Причин этому несколько:
Во-первых, мощные силовые трансформаторы по своему
назначению всегда являются узлами энергосистем, непосред-
ственно вокруг которых устанавливается достаточно много
другого, вспомогательного и измерительного высоковольтного
оборудования, в котором также могут возникать частичные
разряды. Все эти высокочастотные импульсы в той или иной
мере по соединительным линиям или путем электромагнитно-
го излучения наводятся в контролируемом трансформаторе.
Во-вторых, практически к каждому трансформатору под-
ключены одна или несколько воздушных линий электропе-
редач, «собирающие» с большой территории грозовые и иные
высокочастотные импульсы. Эти импульсы часто имеют боль-
шую амплитуду, регистрируются измерительными приборами
и существенно затрудняют анализ «внутренних» частичных
разрядов, возникающих в изоляции самого трансформатора.
В-третьих, чаще всего, высоковольтные трансформаторы
располагаются на открытых подстанциях, поэтому их работу
всегда сопровождает большое количество коронных разря-
дов, интенсивность которых зависит от многих параметров
— температуры и влажности воздуха, состояния поверхностей
изоляторов и т.д. Чем выше рабочее напряжение трансформа-
тора, тем больше проблем от коронных разрядов возникает
при проведении измерений.
В-четвертых, работа трансформаторов часто сопровожда-
ется существенными изменениями нагрузочных и тепловых
режимов. Кроме того, в трансформаторах присутствуют устрой-
ства, изменяющие их параметры в процессе работы, например
РПН. В результате частичные разряды в изоляции трансфор-
маторов могут иметь нестационарный характер, увеличиваться
и уменьшаться и даже появляться и исчезать.
Все эти четыре причины приводит к тому, что большое
количество практических измерений частичных разрядов в
трансформаторах являются некорректными. Чаще всего это
происходит из-за низкой избирательной способности приме-
няемой аппаратуры, реже — из-за недостаточной квалифика-
ции экспертного персонала, который не может использовать
все возможности имеющейся аппаратуры.
В результате за «импульсы частичных разрядов в транс-
форматоре» выдаются любые высокочастотные импульсы
помех, от которых диагносту просто не удалось отстроиться.
Естественно, что выполненный на основе некорректных за-
меров анализ распределения частичных разрядов не имеет
практической пользы, если даже не сказать о получении вреда.
Следствием этого является все еще широко распространенное
мнение о низкой информативности проведения измерений
частичных разрядов.
Только правильно собранные измерительные схемы, по-
зволяющие в максимальной степени отстроится от помех,
могут быть рекомендованы для проведения измерений. Если
в результате измерений удается зарегистрировать частичные
разряды, то в этом случае желательно провести дополнитель-
ные измерения и исследования, включая в анализ техническое
состояние рядом расположенного высоковольтного оборудо-
вания. Только после подтверждения первичных измерений
можно будет уверенно говорить о наличии в трансформаторе
частичных разрядов.
Резюмируем наши рассуждения кратко. Всем хочется изме-
рять частичные разряды в трансформаторах, но это не простая
задача. Если можно, начните набирать свой диагностический
опыт на оборудовании другого типа, этим непростым шагом
для себя вы избежите достаточно неприятных ситуаций.
Если же вам все равно необходимо провести исследование
изоляции трансформаторов на основании анализа частичных
разрядов, в первую очередь следует решить несколько осново-
полагающих вопросов. Вопросы эти во многом повторяющиеся,
одинаковые для всех типов высоковольтного оборудования, но
для трансформаторов они максимально важны и ответственны.
Основных вопросов три.
- Выбор частотного диапазона, в котором проведение из-
мерений частичных разрядов наиболее эффективно. Различ-
ными специалистами используются приборы, работающие во
всех трех частотных диапазонах — «LF», «HF» и «UHF». Второй
гранью этого вопроса является выбор типа датчиков, исполь-
зование которых в трансформаторах практически возможно и
методически эффективно.
- Выбор мест для установки первичных датчиков измерения
частичных разрядов. Здесь всегда вступает в противоречие
единство и противоположность желаний и возможностей.
В трансформаторах таких мест, доступных и информативных,
чрезвычайно мало, нужно это просто принять к сведению.
- Необходимо всегда максимально корректно определяться
по используемым техническим и алгоритмическим возможно-
стям отстройки от помех используемого вами измерительного
оборудования. Чем более подробно будет вами рассмотрен и
практически реализован этот важнейший вопрос измерения
частичных разрядов, тем в большей степени можно будет рас-
считывать на успех.
В данном разделе мы попытаемся рассмотреть все эти важ-
ные вопросы, правда, не совсем последовательно, акценти-
руя внимание только на самом главном, т.е. на конечной цели
процедуры диагностики, на получении итогового диагно-
стического заключения о техническом состоянии изоляции
контролируемого оборудования.
Измерения частичных разрядов в трансформаторном обо-
рудовании можно проводить в нескольких частотных диапа-
зонах, но мы начнем с рассмотрения наиболее традиционного
диапазона частот. Рассмотрим возможности измерения ча-
стичных разрядов в трансформаторах при помощи приборов,
работающих в высокочастотном диапазоне «HF», используя
контактные электромагнитные датчики — высокочастотные
трансформаторы тока RFCT и конденсаторы связи СС. На наш
взгляд, это наиболее часто встречающийся случай.
3.1. Измерение частичных разрядов при помощи
электромагнитных контактных датчиков
Длительное время измерение частичных разрядов в раз-
личном трансформаторном оборудовании преимущественно
производилось при помощи приборов, работающих в высо-
кочастотном диапазоне — «HF». В этих приборах в качестве
источников первичной информации используются различные
«контактные электромагнитные датчики» - высокочастотные
трансформаторы тока и конденсаторы связи.
Напомним, что практически все наиболее часто исполь-
зуемые на практике датчики частичных разрядов делятся на
три группы:
- Контактные электромагнитные датчики — «С-Sensors».
Это различные высокочастотные трансформаторы тока «RFCT»
и конденсаторы связи. Они называются контактными потому,
что они, так или иначе, монтируются на токоведущих про-
водниках контролируемого оборудования. Все эти датчики
работают в «НР»-диапазоне частот.
- Бесконтактные электромагнитные датчики — «UHF-
Sensors». Эти датчики представлены различными антеннами
для удаленной бесконтактной регистрации частичных разрядов
в оборудовании. Все эти электромагнитные антенны лучше
всего работают в «иНР»-диапазоне частот, где они регистри-
руют излучение от импульсов частичных разрядов.
- Акустические датчики частичных разрядов — «А-Sensors».
Датчики работают в «ЬР»-диапазоне частот, регистрируют
акустическое излучение от частичных разрядов дистанци-
онно или же на заземленных поверхностях высоковольтного,
маслонаполненного оборудования.
Все эти три типа датчиков частичных разрядов могут быть
использованы при проведении измерений на трансформатор-
ном оборудовании.
В настоящее время все специалисты по измерению ча-
стичных разрядов разделились на три группы, по типу ис-
пользуемых датчиков и частотному диапазону используемых
регистрирующих приборов. Наиболее активно продвигается
мнение, что для измерения частичных разрядов в силовых
трансформаторах необходимо использовать только обору-
дование, работающее в диапазоне UHF, а метод измерения
частичных разрядов в диапазоне HF является устаревшим.
Как совершенно правильно утверждают такие специалисты,
только в UHF-диапазоне частот можно эффективно избавиться
от основных высокочастотных помех в трансформаторах —
коронных разрядов.
Да, это так, но это только половина вопроса, возникаю-
щего при сравнении эффективности различных частотных
диапазонов в приложении к диагностике трансформаторного
оборудования. Очень важным, но отрицательным свойством
использования диапазона UHF является то, что в этом диапа-
зоне частот невозможно корректно провести калибровку всей
измерительной схемы. А это однозначно приводит к тому, что
эта процедура проведения диагностики состояния изоляции
трансформатора становится некорректной. Выигрывая в одном,
мы проигрываем в другом — классическая диалектика.
По этой причине мы и начнем рассмотрение методов реги-
страции частичных разрядов в трансформаторах с использова-
нием измерительного оборудования, работающего в среднем
диапазоне частот «HF», как наиболее часто используемого.
Применение приборов, работающих в других частотных диа-
пазонов, для проведения контроля изоляции трансформаторов
мы рассмотрим чуть ниже.
3.1.1. Установка «НР»-датчиков частичных
разрядов на трансформаторах.
При исследовании частичных разрядов в трансформаторах,
как и в любом другом высоковольтном оборудовании, в первую
очередь необходимо правильно выбрать места для установки
первичных датчиков. Насколько корректно это будет сделано,
настолько возможно эффективными будут последующие из-
мерения частичных разрядов в изоляции.
3.1.1.1. Подключение первичных датчиков
к ПИН-вводов трансформаторов.
В трансформаторном оборудовании наиболее информа-
тивным местом для установки датчиков частичных разрядов
являются высоковольтные вводы. Это практически единствен-
ное место в баке трансформатора, через которое возможно
проведение регистрации электромагнитной информации о
техническом состоянии внутренней изоляции и на котором
можно стационарно или временно смонтировать датчик ча-
стичных разрядов.
Конструктивно ввод представляет собой проводящий
стержень, заключенный в изолирующий корпус из керамики
или другого диэлектрика, по которому протекает ток. Вну-
три корпуса ввода находится изолирующая среда. Во вводах с
бумажной изоляцией это масло, а во вводах с твердой изоля-
цией чаще всего это RIP-изоляция, компаунд. Для снижения
напряженности поля внутри ввода от верха до корпуса бака
трансформатора ее распределяют, «выравнивают» по высоте
ввода.
С этой целью вокруг проводящего стержня располагаются
изолированные друг от друга слои фольги, имеющие различ-
ную ширину, уменьшающуюся по ширине, по мере удаления от
проводящего стержня. В результате этого весь высоковольтный
потенциал, приложенный к вводу, равномерно распределяется
по высоте вдоль изоляционной покрышки, и максимальная
удельная напряженность электрического поля по высоте ввода
усредняется.
Последняя, внешняя обкладка остова ввода, наиболее
узкая, при помощи специального стержня с пружиной или
иным образом выводится на внешнюю поверхность ввода,
где принудительно замыкается на корпус ввода (бака транс-
форматора). Этот вывод в нашей литературе называется ПИН,
а в зарубежной литературе обозначается термином «Test Тар».
Для безопасности вывод ПИН ввода всегда закрывается за-
щитным колпаком.
Количество взаимно изолированных обкладок во вводе
зависит от величины рабочего напряжения и может достигать
у высоковольтных вводов нескольких десятков. Суммарная
емкость ввода измеряется между проводящим стержнем и
последней обкладкой, выведенной на ПИН (PIN), является
очень важным параметром состояния ввода. Величина этой
емкости обозначается как «С1», это нормируемый параметр,
значение этой емкости периодически контролируется во время
испытаний.
Величина этой емкости, равная для стандартных вводов
500—600 pF, вне зависимости от рабочего напряжения ввода
примерно одинакова. Кажущийся парадокс, когда ввод на
ПО кВ и на 500 кВ имеют одинаковую емкость, объясняется
очень просто. С ростом геометрических размеров ввода при
росте рабочего напряжения емкость должна расти. Однако
при этом растут геометрические размеры ввода, увеличивается
расстояние между его крайними обкладками, что приводит к
уменьшению емкости. Размеры ввода растут, от этого растет
емкость, но при этом растет расстояние между обкладками,
что уменьшает емкость «С1». В результате мы имеем некоторое
обобщенное значение емкости ввода «С1», примерно одина-
ковое для всех вводов, если не рассматривать специальные
исполнения вводов.
Емкость ввода от стержня до крайней обкладки для высоко-
частотных импульсов является достаточно малым сопротив-
лением. Чем выше частота импульса, тем лучше его измерять,
используя емкость ввода. Для справки отметим, что величина
грозовых импульсов через емкость «С1» может достигать 1 кА,
в то время как ток проводимости промышленной частоты через
емкость ввода не превышает 0,1 А.
Отсюда очень важное следствие — высоковольтный ввод
трансформатора, имеющий вывод от крайней обкладки на
внешний вывод типа ПИН, является идеальным датчиком,
идеальным конденсатором связи, предназначенным для изме-
рения частичных разрядов. Лучшего датчика высокочастотных
импульсов в трансформаторе нам не найти. Измерительным
ПИН снабжаются все вводы с рабочим напряжением ПО кВ
и выше.
Надо отметить, что на практике встречаются ввода, имею-
щие по два вывода на внешний разъем, от последней обкладки
ввода и от предпоследней обкладки. В зарубежной литературе
они называются «Test Тар», это вывод от последней обкладки,
о котором мы уже упоминали, и «Potential Тар», вывод от пред-
последней обкладки. Назначение вывода «Test Тар» вполне
понятно, с его помощью обычным образом контролируется
состояние изоляции ввода. Вывод «Potential Тар» предназнача-
ется для отбора небольшой мощности от ввода, используемой
на цели управления и защиты трансформатора. В стандартных
условиях эксплуатации оба эти вывода обычно заземляются,
так как отбор мощности от ввода на практике применяется
достаточно редко.
По этой причине на полной схеме замещения ввода,
на рисунке З.1., показаны три конденсатора — «С1», «С2» и
«СЗ». Физический смысл этих емкостей понятен из рисунка.
Реально, когда вывод «РТ» у ввода отсутствует, то емкость «С2»
автоматически суммируется с емко-
стью «С1». Именно по этой причине
в литературе используется понятие
емкости «СЗ», а не используется обо-
значение «С2». Просто обычно мы
используем схему замещения ввода
с одним выводом, т.е. упрощенную
схему замещения ввода.
Для регистрации импульсов ча-
стичных разрядов, протекающих
через ввод из трансформатора (эти
сигналы и интересуют нас) и в транс-
форматор (это сигналы помех), а так-
же возникающих непосредственно в
изоляции самого ввода, необходимо
Рис. 3.1. Схематический
разрез и схема замещения
ввода трансформатора.
датчик частичных разрядов включить в электрическую цепь
заземления ПИН. Скажем сейчас, а потом еще несколько раз
повторим ниже, что цепь заземления ПИН ввода во время
работы трансформатора размыкать нельзя! В эту цепь можно
вставить активное сопротивление или емкостное, но полного
разрыва цепи заземления ПИН быть не должно.
На рисунке 3.2. приведена схема ввода и схемы замещения
при подключении к ПИН различных датчиков частичных
разрядов. На схеме «а» показан ввод с одним выводом, ко-
торый отключен от земли. Мы видим, что схема замещения
представляет собой обычный емкостный делитель, величина
напряжения на выходе которого определяется соотношением
величин емкостей.
а) Ь) с)
О О Q
С 1 —— С 1 —— С 1----
Test Тар
Рис. 3.2. Эквивалентная схема замещения
ввода с подключенным датчиком частичных
разрядов.
Если принять, что соотношение величин емкостей ввода
«С1» и «СЗ» обычно равняется 1 к 10, то напряжение на выходе,
обозначенное на рисунке «U2», составит в таком режиме 10%
от общего напряжения «U1», приложенного к вводу. Это на-
пряжение опасно не только для отключенного от земли вывода
ПИН, оно особенно опасно для изоляции между последней
обкладкой ввода и заземленным корпусом ввода. Как правило,
в таком режиме в изоляции возникают опасные нарушения.
Для исключения такого режима работы все выводы ПИН
ввода должны всегда быть заземлены или подключены к земле
через «небольшое сопротивление». Попробуем определиться с
величиной и типом этого «небольшого сопротивления».
С точки зрения теории электрических цепей относительно
внешнего добавочного сопротивления, ввод трансформатора
является источником тока, а не источником напряжения. Для
примера рассмотрим источник тока, работающий с точностью
0,1%. Не углубляясь в теорию и не стремясь к полной точно-
сти изложения материала, скажем, что у такого источника
внутреннее сопротивление должно в 1000 раз превышать со-
противление подключенной нагрузки. В результате выходной
ток с ПИН, обычно называемый током проводимости ввода,
не будет зависеть от величины нагрузочного сопротивления.
Дальше все будет также просто. Если мы подключаем наше
внешнее нагрузочное сопротивление к выводу ПИН, то это
обозначает, что мы подключаем его на первом этапе последо-
вательно с емкостью «С1». Таким образом, можно говорить, что
допустимая величина внешнего «небольшого сопротивления»
должна быть в тысячу раз меньше, чем величина реактивного
сопротивления емкости «С1», естественно на частоте 50 Гц.
Проведя простые расчеты, мы получим, что величина внеш-
него (активного) сопротивления, подключаемого к ПИН ввода,
не должна быть больше 5 кОм. В этом случае такое «небольшое
сопротивление» не окажет заметного влияния (точность 0,1%)
на величину тока проводимости ввода. Следуя простой логике,
мы также определим напряжение промышленной частоты,
которое будет выделяться на таком сопротивлении. Поскольку
мы имеем делитель напряжения, в котором все определяется
соотношением сопротивлений делителя, то выходное напря-
жение составит одну тысячную часть от напряжения, при-
ложенного к вводу. Например, для ввода 500 кВ оно составит
величину в несколько вольт. Все эти выкладки иллюстриру-
ются на рисунке 3.2. схемой «Ь».
Но это только оценочный анализ влияния внешнего со-
противления на работу ввода, выполненный для нормального
режима работы ввода. Как всегда бывает на практике, выход
оборудования из строя происходит в переходных режимах рабо-
ты. Попробуем разобраться, что произойдет с влиянием этого
внешнего сопротивления при воздействии на ввод грозовых
или коммутационных высокочастотных импульсов.
Представим, что по ЛЭП к вводу трансформатора пришел
грозовой импульс с амплитудой, равной амплитуде рабочего
напряжения. Частота этого импульса существенно выше про-
мышленной частоты и составит, например, 100 кГц. Т.е. частота
этого импульса больше промышленной частоты в 2000 раз.
Что произойдет при этом?
Величина емкостного сопротивления «С1» для этой ча-
стоты уменьшится в такой же пропорции, т.е. в 2000 раз. При
этом величина внешнего сопротивления «RD» останется не-
изменной, поскольку величина активного сопротивления с
частотой не связана.
В результате такого, очень большого изменения соотноше-
ния сопротивлений в плечах делителя, на ПИН ввода будет
поступать 66% от величины напряжения грозового импульса.
Для напряжения 500 кВ, если все анализировать прикидочно,
напряжение на ПИН при приходе грозового импульса составит
около 300 кВ. Понятно, что это аварийный режим.
Необходимо хорошо понимать, что такой результат мы по-
лучаем в том случае, когда не учитываем емкость ввода «СЗ».
Если ее учесть, эта схема — «с» — показана на рисунке 3.2., то
напряжение на ПИН при воздействии грозовых и коммута-
ционных перенапряжениях будет находиться на существенно
более низком уровне. Оно будет равняться тем же 10%, как мы
и определяли выше для «нормального режима работы» при
незаземленном выводе ПИН. Но и это напряжение является
опасным для состояния изоляции ввода. По этой причине
величина внешнего сопротивления не должна быть больше,
чем 1 кОм. Идеальным вариантом является использование
в качестве нагрузочного сопротивления внешней емкости,
имеющей стабильные параметры.
Очень важным вопросом, требующим отдельного рассмо-
трения, является вопрос оценки влияния активного сопро-
тивления на емкостный делитель в плане анализа угловой
погрешности измерения, возникающей при измерении тока
проводимости ввода, т.е. точности измерения тангенса угла
диэлектрических потерь. Поскольку в данной работе мы рас-
сматриваем только вопросы измерения частичных разрядов,
анализ этого вопроса мы опустим, предложив читателям са-
мостоятельно анализировать эту проблему или обратится к
работам других авторов.
Подключение датчиков частичных разрядов к ПИН вво-
дов трансформатора производится только на отключенном
оборудовании. Различных конструкций ПИН, способа его
заземления и типа крепления защитного колпачка у разных
фирм-изготовителей вводов существует достаточно много, не
менее 10 модификаций. При всем внешнем конструктивном
многообразии назначение у всех ПИН одно — обеспечить на-
дежное замыкание на землю токов проводимости ввода и за-
щиту от воздействия окружающей среды. Наиболее важное для
нас отличие заключается в том, как производится замыкание
ПИН на землю — при помощи заземляющего провода или
контактным путем.
Рис. 3.3. Схема установки
датчика «RFCT-1» на ПИН
ввода с использованием
заземляющего провода.
Если заземление ПИН
ввода выполнено стационар-
ным проводом при помощи
заземляющего проводника,
то в этом случае возможен
самый простой вариант для
временной установки самого
простого датчика частичных
разрядов марки «RFCT-1». С
вывода ПИН демонтируется
защитный колпачок. Зазем-
ляющий провод отключается
от самого пин, на провод
надевается датчик RFCT-1, и
цепь заземления вывода ПИН
восстанавливается. Схемати-
чески установку датчика на
ПИН иллюстрирует рисунок
3.3. Для этой цели можно даже
использовать высокочастотные
измерительные клещи типа «RFCR-5», которые монтируются на
заземляющем проводнике без отключения заземляющего про-
водника. Такой вариант является наиболее оперативным.
Поскольку для измерения частичных разрядов предпо-
лагается, как минимум подача, на рабочего трансформатор
напряжения, а защитную крышку на ПИН установить из-за
датчика невозможно, необходимо принять все меры по защите
ПИН от влияния атмосферных воздействий. При обеспечении
надежного заземления ПИН проблем при таком способе уста-
новки датчиков частичных разрядов не возникает.
Для временного монтажа датчиков частичных разрядов на
ПИН более сложным является случай, когда заземление вывода
ПИН осуществляется пружинным контактом, установленным
на защитном колпачке. При монтаже колпачка пружинным
контактом он присоединяется к П И Н, а монтажными болтами
соединяется с корпусом ввода (бака трансформатора). Снятие
колпачка автоматически отсоединяет ПИН от корпуса транс-
форматора.
В этом случае необходимо применить специальный зазем-
ляющий провод сечением не менее 3—6 мм2. Одним концом
провод надежно присоединяется к корпусу трансформатора
(ввода), а другим фиксируется на ПИН. Учитывая все много-
образие конструкций ПИН, устройство фиксации провода
в каждом конкретном случае может иметь различную кон-
струкцию, но всегда должно обеспечивать надежное подклю-
чение заземляющего провода к ПИН. На провод созданного
искусственного заземления также надевается датчик марки
«RFCT-1», а открытый ПИН надежно на время проведения
измерений частичных разрядов защищается от атмосферных
воздействий.
Наиболее эффективным и безопасным способом установки
датчиков и регистрации частичных разрядов на ПИН вводов
силовых трансформаторов является использование датчиков
стационарной конструкции.
Фирма «DIMRUS» серийно выпускает более 10 модифи-
каций датчиков марки «DB-2», монтируемых на ПИН вводов.
Краткое описание этих датчиков приведено в разделе 10. Эти
датчики по принципу своего действия являются комплексны-
ми, позволяющими измерять как токи проводимости вводов,
так и частичные разряды во вводе и в самом трансформаторе.
Датчики стационарной конструкции предварительно во время
планового вывода трансформатора из работы монтируются
на вводах, выводы датчиков находятся в защитном шкафу,
устанавливаемом рядом с трансформатором. Это дает воз-
можность проводить измерения в любой момент времени, не
связывая это с необходимостью отключения трансформатора.
Переносной измерительный прибор подключается к разъемам
на коммутационной плате, расположенной в шкафу, и прово-
дятся измерения.
Стационарные датчики марки «DB-2» необходимо устанав-
ливать на наиболее ответственном трансформаторном обору-
довании, нуждающемся в периодическом контроле состояния
изоляции. Эти датчики могут также монтироваться на обо-
рудовании, вывод которого из эксплуатации для установки и
снятия датчиков затруднен по условиям его работы. Обычно
датчики типа «DB-2» или другого, аналогичного назначения,
стационарно монтируются достаточно часто.
3.7.1.2. Установка датчиков марки «RFCT»
в нейтрали силовых трансформаторов.
Нейтрал ь трехфазной обмотки трансформатора — это второе
место, куда чаще всего монтируют высокочастотные датчики,
когда планируется проведение регистрации частичных разря-
дов в трансформаторах. Причина этого вполне понятна — это
второй вывод от всех фазных, высоковольтных обмоток транс-
форматора. Другого «прямого» доступа к обмоткам трансфор-
матора, кроме уже выше описанного измерительного вывода
высоковольтного ввода, ПИН, у трансформатора нет.
Датчик марки «RFCT-4» специально разрабатывался фир-
мой «DIMRUS» для монтажа в нейтрали первичной обмотки
силового трансформатора. Он имеет разъемную конструкцию
и внутреннее отверстие большого диаметра. Благодаря такому
исполнению, он может быть легко смонтирован на нейтрали
трансформатора (трубе, шине, проводе), имеющей большой
диаметр, без демонтажа элементов цепи заземления нейтрали
высоковольтной обмотки трансформатора.
Существуют две особенности монтажа датчика марки
«RFCT-4» на проводниках заземления нейтрали, по которым
достаточно часто протекает ток промышленной частоты, имею-
щий большую величину, в сотни и более ампер. Мы не будем
обсуждать причины возникновения этого тока, лишь отме-
тим, что это является свойством трехфазной линии, имеющей
изолированную нейтраль. Рассмотрим только особенности
монтажа датчика.
Во-первых, при протекании тока промышленной частоты
через датчик марки «RFCT-4», являющийся высокочастот-
ным трансформатором тока, происходит насыщение ферро-
магнитного сердечника датчика, в результате чего падает его
чувствительность к высокочастотным сигналам. Поскольку мы
не можем повлиять на величину промышленного тока, проте-
кающего в нейтрали, то единственным способом уменьшения
насыщения сердечника датчика является его размыкание.
С этой целью в зазор датчика между половинами сердечника
устанавливается немагнитная прокладка из изолирующего ма-
териала. Оптимальная толщина прокладки должна составлять
3—5 мм. Меньшее значение толщины прокладки соответствует
току промышленной частоты до 500 А, большее соответствует
току до 1000 А. При этом чувствительность датчика ухудшается
не более, чем на 20%.
Во-вторых, в реальных условиях эксплуатации трехфазных
трансформаторов возможны два режима работы, с изолирован-
ной нейтралью или с заземленной. Это связано с компенсацией
емкостных токов замыкания одной из фаз линии на землю.
Важным является то, что режим работы нейтрали может из-
меняться даже в процессе работы трансформатора.
На рисунке 3.4. приведена схема включения обмоток и ней-
трали трансформатора 110 kV. На рисунке показано, что датчик
частичных разрядов марки RFCT-4 может быть установлен
в двух точках, до заземляющего рубильника и после него. На
практике, чаще всего, датчик удобнее монтировать между ру-
бильником и землей (на рисунке это слева). Сделать так удобнее
потому, что обычно сам рубильник монтируется на отдельной
опоре, стоящей рядом с контролируемым трансформатором,
и подключается проводом.
Внимание! Установка датчика частичных разрядов слева от
рубильника (на рисунке) категорически запрещена. Это объяс-
няется тем, что при разомкнутом рубильнике в цепи нейтрали
трансформатора возможно, обычно во время коммутации, по-
явление кратковременных импульсных напряжений большой
величины. Они могут достигать фазного значения и даже быть
больше. В основном, это бывает при включении трансфор-
матора и при различных коммутационных процессах внутри
энергосистемы. К нашему сожалению, случаи разрушения
измерительного оборудования из-за неправильного монтажа
датчика частичных разрядов в нейтрали трансформатора не
так уж редки.
Следует всегда помнить, что внутренняя изоляция датчика
«RFCT-4», как и всех остальных датчиков из этой серии, рас-
считана на безопасную работу в цепях с рабочим напряжением
до 1000 V. Наилучшим вариантом является установка этого
датчика на заземленных элементах контролируемого объекта.
При возникновении больших перенапряжений происходит
пробой внутренней изоляции, выход датчика из строя, повреж-
дение измерительного прибора и даже возможно поражение
обслуживающего персонала!
Датчик частичных разрядов марки «RFCT-4» может уста-
навливаться в цепи нейтрали трехфазного трансформатора
только на заземленной части цепи после рубильника, как это
показано на схеме рисунка 3.4. Все другие варианты непри-
Рис. 3.4. Схема установки датчика RFCT-4 в нейтрали
трехфазного трансформатора.
емлемы по условиям соблюдения правил безопасности, дей-
ствующих при проведении измерительных работ на высоко-
вольтном оборудовании.
Использование датчика частичных разрядов «RFCT-4» в
нейтрали трехфазного трансформатора позволяет лучше от-
страиваться от помех, приходящих в контролируемый транс-
форматор по питающей сети. Ниже мы покажем, как для этого
можно использовать датчик «RFCT-4» в нейтрали обмотки.
3.1.1.3. Использование конденсаторов связи
для измерений частичных разрядов в обмотках
НН и СИ.
Как уже говорилось выше, основным, наиболее информа-
тивным местом для установки датчиков измерения частич-
ных разрядов в трансформаторах являются три вывода ПИН
высоковольтных вводов на стороне ВН. Промышленностью
выпускается много марок высоковольтных вводов, но вывод
ПИН устанавливается только на вводах с рабочим напряже-
нием от ПО кУи выше.
На вводах с меньшим рабочим напряжением вывод от по-
следней обкладки фольги (внутри ввода) обычно отсутствует,
на них ПИН даже конструктивно не предусмотрен. Поэтому
устанавливать датчик частичных разрядов, использующий
35 кВ
10 кВ
Рис. 3.5. Схема использования датчиков «DB-2» и конденсаторов
связи для контроля со-стояния изоляции трехобмоточного
трансформатора 110/35/10 кВ.
емкость ввода «С 1», на таких трансформаторах (на обмотке
напряжения менее НО кВ) конструктивно невозможно.
Рассмотрим применение конденсаторов связи на примере
регистрации частичных разрядов в трехобмоточном силовом
трансформаторе 110/35/10 кВ. Схема подключения первичных
датчиков частичных разрядов для такого трансформатора по-
казана на рисунке 3.5.
Как уже говорилось выше, измерительным выводом ПИН
оснащаются вводы трансформаторов, имеющие рабочее на-
пряжение ПО кВ и выше. Вводы, рассчитанные на меньшее
напряжение, таких выводов не имеют. По этой причине в
приведенном трехобмоточном трансформаторе датчики типа
DB-2 могут быть смонтированы только на стороне ВН транс-
форматора. На выводах обмоток СН и НН установить такие
датчики технически невозможно.
Вполне очевидно, что при проведении измерений частич-
ных разрядов в двух и трех обмоточных силовых трансформа-
торах одной из важнейших задач всей процедуры диагностики
является локализация выявленных импульсов по обмоткам.
Это возможно сделать только в одном случае — если установить
первичные датчики на выводах всех трех обмоток трансфор-
матора.
В качестве датчиков частичных разрядов, предназначенных
для контроля частичных разрядов на стороне низкого и средне-
го напряжения силового трансформатора, в этом случае лучше
всего использовать конденсаторы связи марки СС, рассчитан-
ные на необходимое рабочее напряжение. Такие конденсаторы
связи монтируются непосредственно на трансформаторе или на
некотором удалении от него, на соответствующих отходящих
от трансформатора линиях.
Такая измерительная схема, в которой датчики частичных
разрядов монтируются на выводах каждой обмотки трансфор-
матора, имеет максимальные возможности для проведения
диагностики и локализации места возникновения дефекта
внутри трансформатора, как в изоляции самих обмоток, так
и вводов.
Локализация места возникновения дефекта может быть
выполнена как по фазе, так и по обмотке. Для этого могут быть
использованы различные диагностические средства и методы.
Для выявления дефектной фазы могут быть использованы
возможности матрицы внутренней перенаводки импульсов
внутри трансформатора, а для выявления дефектной обмотки
дополнительно можно использовать метод «time of arrival».
Для максимальной эффективности работы этих двух диа-
гностических методов для трехобмоточных силовых транс-
форматоров желательно использование многоканальной из-
мерительной аппаратуры. В наиболее оптимальном случае
необходимо использовать девятиканальную измерительную
систему, регистрирующую информацию по всем каналам син-
хронно или использующую встроенные аппаратные средства
внутренней отстройки от импульсов помех.
Если на контролируемом трансформаторе будет установлено
большее количество первичных датчиков, например, плюс
датчики в средних точках обмоток, включенных в звезду, то
количество необходимых каналов регистрации частичных
разрядов может вырасти до двенадцати и более. В этом случае
необходимо использовать систему мониторинга состояния
изоляции трансформатора, позволяющую подключать 15 пер-
вичных датчиков регистрации частичных разрядов разных
типов.
3.1.2. Способы отстройки от влияния коронных
разрядов при регистрации частичных разрядов
в трансформаторах.
Вопросам отстройки от влияния коронных разрядов при из-
мерении частичных разрядов в трансформаторах мы посвятим
отдельный раздел. В высоковольтных силовых трансформа-
торах в зависимости от класса рабочего напряжения уровень
коронных разрядов может в десятки раз превышать допустимые
предельные уровни частичных разрядов, возникающих от са-
мых опасных дефектов в изоляции трансформаторов. Если не
проводить эффективной отстройки от коронных разрядов, то
возможность «пропуска» частичных разрядов при проведении
измерений очень велика.
По этой же причине мы нс рекомендуем использовать для
измерения частичных разрядов в трансформаторах простую
одноканальную аппаратуру, а тем более обычные осциллогра-
фы, пусть даже цифровые. Применение такой аппаратуры для
измерений, а тем более анализ полученной ими информации,
с вероятностью в 90% приведут к получению ложных диагно-
стических заключений.
Это является важнейшим вопросом, определяющим до-
стоверность оценки технического состояния изоляции транс-
форматоров — имеете ли вы необходимый объем методических,
технических и алгоритмических наработок для того, чтобы
исключить из рассмотрения импульсы коронных разрядов?
Если да, то вы в состоянии заниматься измерением частичных
разрядов в трансформаторах. Если нет, или вы сомневаетесь,
то от контроля состояния изоляции трансформаторов по ча-
стичным разрядам лучше уклониться под любым предлогом.
Потому что достоверность ваших измерений, а следовательно, и
ваших диагностических заключений будет неприемлемо мала.
Пострадает не только ваш профессиональный имидж, но и во-
обще отношение эксплуатационного персонала к методу реги-
страции и анализа частичных разрядов в трансформаторах.
Рассмотрим четыре, наиболее часто используемых при из-
мерении частичных разрядов в трансформаторах, способа от-
стройки от влияния коронных разрядов. Естественно, таких
способов на практике может быть использовано существенно
больше, но эти являются наиболее эффективными и часто
встречающимися.
3.1.2.1. Отстройка от импульсов коронных разрядов
по фазе питающего напряжения.
Этот метод отстройки от коронных разрядов хотя и при-
водится во всей литературе по анализу частичных разрядов
в трансформаторах, имеет малое практическое применение.
Знание этого метода является, в большей мере, методологиче-
ским, чем практическим. Оно помогает лучше понимать осо-
бенности проявления коронных разрядов в трансформаторном
оборудовании. Реальной пользы от использования этого метода
отстройки от импульсов коронных разрядов очень мало.
Общий смысл этой отстройки по фазе питающего напря-
жения достаточно прост и понятен. Известно, что импульсы
коронных разрядов возникают и имеют максимальную ам-
плитуду на положительной полуволне питающего напряже-
ния на участке роста напряжения и вблизи этого максимума
синусоиды и почти отсутствуют на отрицательной полуволне
питающего напряжения. Эту особенность возникновения
коронных разрядов мы уже объясняли выше.
Поэтому для устранения влияния коронных разрядов в
положительной фазовой зоне синусоиды питающей сети реги-
страцию частичных разрядов производить не следует. Это все
наглядно иллюстрируется рисунком 3.6., где приведено распре-
деление импульсов частичных разрядов на PRPD-плоскости
для однофазного и трехфазного трансформаторов.
Рис. 3.6. Распределение импульсов коронного разряда
в трансформаторе на PRPD-плоскости для однофазного
и для трехфазного напряжения.
Как хорошо видно из первой части рисунка, соответствую-
щей однофазному трансформатору, мы имеем такую картину
распределения частичных разрядов, когда при разных поляр-
ностях питающего напряжения интенсивность частичных
разрядов будет значительно различаться.
На диаграмме амплитудно-фазового распределения им-
пульсов, которая всегда строится для «полной» синусоиды пи-
тающей сети, включающей обе полуволны, это хорошо видно.
Такое распределение высокочастотных импульсов является
важным признаком наличия коронных разрядов, которые
являются помехой. Эти разряды необходимо убирать из рассмо-
трения возможных проблем в изоляции трансформатора.
На отрицательной полуволне питающего напряжения им-
пульсы коронных разрядов также присутствуют, только ин-
тенсивность их существенно ниже.
При всей кажущейся простоте и эффективности такого
подхода сразу же возникает простой вопрос, а если и импуль-
сы от возникшего дефекта в изоляции трансформатора будут
проявляться именно в этой угловой зоне, когда мы не будем
регистрировать частичные разряды? Понятно, что мы их не
зарегистрируем, т.е. ряд возможных дефектов нами будет при-
нудительно исключен из рассмотрения. Можно упрощенно
считать, что не менее 50% возможных дефектов в изоляции
трансформатора мы автоматически исключаем из рассмотре-
ния, а реально эта цифра составляет около 70%.
Это первый и самый важный недостаток данного метода
отстройки от влияния импульсов коронных разрядов. Есть и
другие, не менее важные, недостатки этого способа отстройки
от влияния импульсов коронных разрядов.
Во-вторых, и на отрицательной полуволне питающего на-
пряжения присутствуют импульсы коронных разрядов, просто
их интенсивность меньше. Следовательно, мы не избавляемся
от всех импульсов коронных разрядов, а только от их части,
правда, от самой большой и опасной.
В-третьих, в трехфазном трансформаторе всегда происходит
наложение коронных разрядов одной фазы на другую, особен-
но под воздействием линейного напряжения, а не фазного. В
результате этого эта «классическая отстройка» от импульсов
коронных разрядов существенно затрудняется, если не сказать,
что становится невозможной. Это иллюстрируется второй
частью рисунка 3.6. На этом рисунке на импульсы коронных
разрядов в измеряемой фазе трансформатора накладываются
импульсы от других фаз.
Именно этими тремя основными недостатками и объяс-
няется тот реальный факт, что практического применения
этот метод отстройки от коронных разрядов не имеет. Его
используют только те диагносты, измерительная аппаратура
которых несовершенна, или же они работают с обычными
осциллографами.
3.1.2.2. Отстройка от «внешних» импульсов по времени
прихода импульсов от нескольких датчиков.
Этот способ отстройки от коронных разрядов в трансфор-
маторах базируется на использовании стандартного метода
разборки импульсов типа «time of arrival». Он позволяет от-
страиваться от импульсов коронных разрядов, а также от всех
импульсов помех, возникающих вне контролируемого транс-
форматора.
Поясним использование этого метода снижения влияния
помех для трансформаторов при помощи двух частей рисунка
3.7. На рисунке показана двухканальная синхронная схема
регистрации частичных разрядов в трансформаторе. В этой
схеме один измерительный датчик, марки «DB-2», монтиру-
ется на пин высоковольтного ввода, а второй датчик, марки
«RFCT-4», монтируется в цепи заземления нейтрали высоко-
вольтной обмотки. Данная измерительная схема, например,
реализована в системе мониторинга марки «TIM-З» и в ряде
Рис. 3.7. Схема измерения частичных разрядов
в силовом трансформаторе с отстройкой
от коронных разрядов по методу «time of arrival».
других приборов нескольких фирм-производителей диагности-
ческого оборудования для измерения частичных разрядов.
Поскольку данная измерительная конфигурация предпо-
лагает сравнение времени прихода импульсов с нескольких
датчиков, то мы напомним очень важную особенность, ко-
торая должна быть соблюдена при монтаже измерительного
оборудования. Длины соединительных кабелей от первичных
датчиков до измерительного прибора должны быть одинаковы
с точностью до десятка сантиметров. Это делается для того,
чтобы время движения импульсов по этим кабелям отдатчиков
к прибору было одинаковым и не мешало применению метода
«time of arrival». В приведенной измерительной схеме длины
соединительных кабелей подбираются еще более сложным
образом, что мы поясним ниже.
При помощи рисунка иллюстрируются две ситуации, ко-
торые обычно возникают в процессе регистрации частичных
разрядов в трансформаторе. В одном случае частичный раз-
ряд возникает внутри трансформатора, и электромагнитный
импульс идет «из трансформатора» в питающую сеть. В другом
случае электромагнитный импульс является внешним, наве-
денным извне, идущим через ввод «в контролируемый транс-
форматор». Рассмотрим эти два случая более подробно.
В первом случае будем рассматривать регистрацию им-
пульса от частичного (вероятнее всего, коронного) разряда,
возникшего в верхней части ввода фазы «С» трансформато-
ра. На рисунке пунктиром показаны два пути, по которым
электромагнитный импульс может передвигаться и быть за-
регистрирован нашим измерительным прибором. В качестве
такого прибора на рисунке показана система мониторинга
трансформатора TIM-3, в которой этот метод реализован.
В первом случае сигнал от внешнего коронного разряда
проходит через емкость высоковольтного ввода в датчик марки
DB-2, а от него по соединительному кабелю в измерительный
прибор системы мониторинга.
Во втором случае электромагнитный импульс попадает
также через ввод внутрь трансформатора, электромагнитным
путем «проходит» через трансформатор и регистрируется дат-
чиком марки RFCT, смонтированным в цепи нейтрали пер-
вичной обмотки. Далее импульс по соединительному кабелю
поступает в прибор и регистрируется.
В нижней части рисунка показаны две условные временные
диаграммы, иллюстрирующие взаимный временной сдвиг этих
двух синхронно зарегистрированных сигналов, поступивших
от двух датчиков. На этих диаграммах время прихода обоих
импульсов в измерительный прибор показано одинаковое.
Выше мы уже говорили, что длины сигнальных кабелей
для такой конфигурации измерительной схемы регистрации
частичных разрядов подбираются особым образом. Эта особен-
ность заключается в том, чтобы импульс от внешнего электро-
магнитного импульса, пришедшего в трансформатор через
ввод, должен поступить на два измерительных входа системы
мониторинга одновременно.
Это обозначает следующее - время прохождения импульса
отдатчика DB-2 к прибору по соединительному кабелю должно
равняться времени «пролета» импульса через трансформатор
от ввода к датчику RFCT в нейтрали обмотки, плюс время
движения импульса по соединительному кабелю отдатчика
к прибору. Точка разветвления пути импульса — ввод в месте
установки датчика DB-2. Точка соединения путей этих им-
пульсов — измерительный прибор, переносной или стацио-
нарный.
Особенность подборки длин соединительных кабелей в
системе мониторинга марки «TIM-З» отдатчиков к прибору
заключается в том, что подстройка времени прихода импульсов
в прибор осуществляется не использованием кабелей оди-
наковой длины. Подбор заключается в том, что один изме-
рительный кабель (отдатчика марки RFCT) короче другого
(от датчика марки DB-2) на длину «полета» импульса внутри
трансформатора. Как подбирать эту разницу в длинах, мы
скажем чуть ниже.
Если теперь высокочастотный импульс возникнет внутри
трансформатора, как показано на правом рисунке, то на вход
прибора, к которому подключен датчик в нейтрали, импульс
придет раньше, чем на вход, к которому подключен датчик на
ПИН ввода. На рисунке сделана попытка графически показать
это. На нем видно, что импульсу, регистрируемому датчиком
DB-2, придется немного «вернуться назад», и он несколько за-
поздает по времени прихода в измерительный прибор. Время
запаздывания зависит от места возникновения частичного
разряда и возрастает по мере удаления зоны дефекта от ввода.
Это время будет максимальным в том случае, когда импульс
частичного разряда возникнет в нейтрали первичной обмотки
трансформатора.
Суммируя наши рассуждения о данном методе отстройки
от коронных разрядов, можно сказать следующее. В правильно
смонтированной измерительной схеме импульс от частичного
разряда, возникшего внутри трансформатора, поступает в из-
мерительный прибор с датчика, установленного в нейтрали
трансформатора, раньше, чем сдатчика, смонтированного
на ПИН ввода.
Кажущаяся проблема сложной подгонки длин сигнальных
кабелей, необходимая в данном методе, которую необходимо
выполнить с точностью до 10—20 см, на практике не вызывает
сложностей. На самом деле ее даже не приходится проводить,
так как в современных приборах есть функции программ-
ной подгонки времени прихода импульсов. При проведении
первичной калибровки измерительной схемы современные
приборы сами выбирают необходимые временные сдвиги по
входным каналам, что эквивалентно процедуре подгонки длин
сигнальных кабелей.
Данная конфигурация измерительного прибора, предна-
значенная для отстройки от влияния коронных разрядов, очень
эффективная на первый взгляд, не лишена некоторых суще-
ственных, кстати, очень очевидных недостатков. Их два.
Во-первых, верхняя часть высоковольтного ввода транс-
форматора в данном методе отстройки от коронных разрядов
исключена из системы мониторинга и защиты. Импульсы
частичных разрядов, возникшие в изоляции верхней части
ввода трансформатора, выше первичного датчика, установ-
ленного на ПИН ввода, будут измерительной схемой брако-
ваться. Они будут считаться импульсами помехи, так как на
оба измерительных входа прибора они придут одновременно.
Этот недостаток не является критическим, так как в верхней
части вводов дефекты в изоляции возникают крайне редко.
Влага и все опасные осадки и налеты обычно оседают в ниж-
ней части ввода.
Второй недостаток данного метода связан с условиями экс-
плуатации трансформаторов в энергосистемах. По условиям
защиты ЛЭП от однофазных замыканий на землю (мы уже пи-
сали выше об этом) нейтраль трансформатора не всегда бывает
подключена к земле, все зависит от заданного режима работы
линии. При работе трансформатора в режиме, когда нейтраль
отключена от земли, данный метод отстройки от внешних по-
мех, в основном от коронных разрядов, не работает.
Тем не менее, данный метод отстройки от коронных раз-
рядов, несмотря на указанные недостатки, достаточно часто
используется в системах мониторинга, особенно там, где нет
проблем с подключением нейтрали обмотки к земле. Он прост,
требует использования минимального количества дополни-
тельных датчиков.
3.1.2.3. Отстройка от импульсов коронных разрядов
при помощи сравнения полярности
высокочастотных импульсов.
Данный метод применительно к использованию для от-
стройки от коронных разрядов в трансформаторах имеет со-
вершенно оригинальное приложение. Ни в каком другом типе
высоковольтного оборудования этот метод с использованием
такой интерпретации связи полярности импульса с местом
его возникновения не применяется.
Рассмотрение этого метода отстройки от коронных раз-
рядов с использованием полярности начнем с напоминания
о том, что импульс от одного и того же частичного разряда,
возникший в изоляции высоковольтного оборудования, может
иметь при регистрации различную полярность. Это может
явиться следствием нескольких причин.
Во-первых, полярность регистрируемого импульса зави-
сит при всех прочих равных условиях от электромагнитных
свойств среды, окружающей зону дефекта. Под средой здесь
мы понимаем электромагнитные свойства изоляции и рядом
расположенных конструктивных элементов контролируемого
оборудования.
Во-вторых, полярность импульса будет зависеть от электро-
магнитных свойств элементов оборудования, расположенных
между зоной возникшего дефекта и местом установки датчика
частичных разрядов.
В-третьих, полярность регистрируемого высокочастотного
импульса частичного разряда зависит от типа используемого
первичного датчика, места и способа его установки на кон-
тролируемом оборудовании.
Первая причина, влияющая на полярность импульса вы-
сокочастотного разряда, а именно свойства среды, где воз-
никает разряд, определяется внутренними параметрами кон-
тролируемого оборудования, и воздействовать на нее мы не в
состоянии. Вторая и третья причины допускают некоторое
модифицирующее воздействие на полярность регистрируемого
импульса, которым может воспользоваться опытный диагност,
проводящий измерения частичных разрядов.
Мы не имеем столько места в данной работе, чтобы более
или менее подробно описать, как качественно и количественно
влияют электромагнитные параметры среды, расположенной
между зоной дефекта и измерительным датчиком, на полярность
регистрируемого импульса. Причин к этому несколько.
- К сожалению, это невозможно сделать без применения
сложного математического аппарата, описывающего процес-
сы в зонах, обладающих различными свойствами и сложной
геометрией.
- Математические выкладки потребуют неоправданно мно-
го места для того, чтобы доходчиво и корректно все описать.
- Самое главное, это не принесет большой практической
пользы, это достаточно «узкий» теоретический вопрос, смысл
которого для практических диагностов достаточно просто
можно только продекларировать.
Процедура сравнения полярностей двух импульсов как
элемент системы диагностики широко используется в прак-
тических измерениях. Этот метод применяется в диагности-
ческих измерениях в кабельных линиях, шинопроводах, КРУ,
но везде он имеет свои специфические особенности.
Рассмотрим применение этого метода разборки по поляр-
ности импульсов для отстройки измерительной схемы от им-
пульсов коронных разрядов. Как мы уже указывали не раз,
это имеет очень большое значение при измерениях частичных
разрядов в силовых трансформаторах. Как уже говорилось, это
наиболее сложный случай измерения частичных разрядов в
высоковольтном оборудовании.
Рис. 3.8. Схема измерения частичных
разрядов в трансформаторе
с использованием метода сравнения
полярности импульсов с ПИН вводов.
На рисунке 3.8. по-
казана наиболее часто
встречающаяся схема
установки первичных
датчиков частичных
разрядов на транс-
форматоре, включаю-
щая три датчика типа
«DB-2», установлен-
ных на ПИН вводов
(на рисунке показано
только два датчика), и
одного датчика типа
«RFCT-4», установлен-
ного в цепи нейтрали
(заземления) транс-
форматора. Такая схе-
ма, если максимально
использовать ее потен-
циальные возможно-
сти, может обеспечить высокую достоверность получаемых
результатов при использовании минимального количества
первичных датчиков.
Представим, что коронный разряд возник на вводе фазы
«С» (на рисунке она условно показана справа), в которой мы
производим регистрацию частичных разрядов. В соответствии
с классической теорией на выходе датчика «DB-2» ввода фазы
«С» импульсный сигнал будет иметь отрицательную поляр-
ность. Это связано с компенсацией изменения распределения
потенциалов внутри трансформатора, обусловленное частич-
ным разрядом.
Очевидно, что большую часть энергии на компенсацию
регистрируемого частичного разряда будет поступать из энер-
госистемы, но эта часть энергии нас не очень интересует, так
как мы ее даже просто измерить не можем, у нас на схеме нет
датчиков, позволяющих это сделать. Еще раз повторим, что
этот импульс будет иметь отрицательную полярность.
Энергия на компенсацию регистрируемого коронного раз-
ряда в фазе «С» будет «выходить» частично из трансформатора,
т.е. мы будем регистрировать импульс, который будет двигаться
вверх по трубе ввода, только этот импульс мы можем зареги-
стрировать. Почему нам интересен этот импульс, понятно,
эта энергии также пойдет на компенсацию неравновесного
состояния зарядов вокруг верхней части ввода трансформатора,
возникшего после коронного разряда.
Самое интересное будет заключаться в том, что на выходе
датчика «DB-2» фазы «В» выходной сигнал, наведенный от
того же самого коронного разряда, будет иметь положительную
полярность! Этот факт, заключающийся в смене полярности
импульсов от коронного разряда, регистрируемых на других
фазах трансформатора, многократно подтверждался экспери-
ментальными данными и имеет определенное физическое и
математическое обоснование и объяснение.
Достаточно примитивно этот факт можно объяснить сле-
дующим образом. Если часть энергии коронного разряда, пусть
и небольшая (но ведь именно ее мы и регистрируем своими
датчиками и приборами), компенсируется «изнутри транс-
форматора», то эта часть энергии может поступить «внутрь
трансформатора» только по вводам других фаз. Эта часть ком-
пенсируемой энергии должна «войти» в трансформатор по
вводам фаз «А» и «В». Эта энергия является конечной (или
начальной?) частью цепочки, по которой идет компенсация
воздействия коронного разряда.
Если вспомнить временную диаграмму трехфазных напря-
жений, то становится понятным, почему при положительном
напряжении на контролируемой фазе трансформатора вбли-
зи максимума напряжения на фазах «В» и «С» будут иметь
противоположный, отрицательный знак. Поэтому и высоко-
частотные импульсы в этих фазах трансформатора будут иметь
другой знак, положительный.
Далее все немного понятнее. Принцип работы метода от-
стройки от помех по полярности сигналов в трансформаторе
звучит следующим образом: если направление движение им-
пульсов во вводах фаз «А» и «В» будет противоположным на-
правлению движению импульса в фазе «С» при отрицательной
полярности напряжения на фазе «С», то и полярность высоко-
частотных импульсов на выходе соответствующих датчиков в
этих двух фазах будет иметь полярность, которая противопо-
ложна полярности высокочастотных импульсов в фазе «С».
Завершим все эти рассуждения формулированием простого
диагностического правила, отражающего суть данного метода
отстройки от помех. Эта суть отражается двумя простыми
предложениями:
- Если высокочастотный импульс (от частичного разряда)
возник внутри трансформатора, то полярность импульсов на
ПИН всех трех фаз трансформатора будет иметь одинаковый
знак, неважно какой, но одинаковый.
- Если высокочастотный импульс (например, от коронного
разряда) возник вне трансформатора, то сигналы с ПИН вво-
дов фаз будут иметь различный знак. Если коронный разряд
возник на фазном напряжении (потенциал фаза — земля), то
две другие фазы (импульсы на них) будут иметь, чаще всего,
положительную полярность. Если же импульс возникнет на
линейном напряжении (потенциал между двумя фазами), то
здесь тоже два импульса по полярности будут отличаться от
третьего, хотя теоретически объяснить все это будет несколько
сложнее. Предоставим нашему читателю возможность самому
разобраться в этом интересном вопросе.
Для практической реализации этого метода «отстройки
от короны» по полярности импульсов необходимо восполь-
зоваться многоканальной регистрирующей аппаратурой. Это
объясняется тем, что сравнение полярности импульсов обя-
зательно должно производиться в режиме реального времени
на аппаратном уровне.
Теоретически метод можно реализовать на основе много-
канального синхронного осциллографа, но с трудом можно
представить пользователя, который «в ручном режиме» срав-
нивает полярность импульсов по каналам, которых может
быть несколько тысяч (какой же объем внутренней памяти в
осциллографе нужен для этого?). В случае же применения для
регистрации импульсов одноканального осциллографа, даже
самого совершенного, данный метод отстройки от коронных
разрядов не может быть реализован вообще.
3.L2.4. Отстройка от коронных разрядов при помощи
оптимального выбора частотного диапазона
измерительной аппаратуры.
Этот способ отстройки от влияния коронных разрядов при
регистрации частичных разрядов в трансформаторах является
методологическим, связанным с природой возникновения
коронных разрядов.
Выше, в первом разделе, мы уже определились с тем, что
частота импульса коронного разряда, как и всех других высоко-
частотных импульсов, практически полностью определяется
крутизной переднего фронта. Спектр колебаний, вызываемый
любым разрядом, всегда ограничен по частоте «сверху» пара-
метрами этого фронта. Чем круче передний фронт импульса,
тем более высокочастотными будут колебания, возникающие
после разряда.
Необходимо понимать, что теоретически частота после-
дующих колебаний может быть и выше, и ниже, чем часто-
та первого импульса в сигнале, это все будет определяться
свойствами среды, окружающей зону разряда. Такую картину
можно наблюдать в некоторых высоковольтных устройствах,
например, в кабельных линиях, но в трансформаторах с корон-
ными разрядами так не бывает. Коронный разряд происходит
в воздухе, распространяется и затухает в нем же. Здесь все ча-
стоты в сигнале не превышают значения, пропорционального
крутизне переднего фронта импульса.
Во всей технической литературе приводится справочная
информация, в которой говориться о том, что частота перво-
го импульса коронного разряда не бывает очень большой. В
качестве верхней границы частоты коронного разряда приво-
дится значение в диапазоне 100—400 МГц. Нигде в литературе
мы не нашли обоснования, почему граничные частоты для
коронных разрядов имеют такой большой разброс, хотя это
достаточно просто может быть объяснено.
В качестве базового постулата можно с высокой степенью
достоверности заявлять, что чем больший объем носителей
(заряда) участвует в единичном (коронном) разряде, тем ниже
будет верхняя граничная спектра колебаний, вызываемых этим
разрядом. Здесь можно спорить о количественной стороне во-
проса, но качественно все выглядит именно так. Аналогия с
механическими колебаниями здесь полная: чем больше масса
механического объекта, тем ниже частота его собственных
колебаний.
Дальше все просто. На положительной полуволне питаю-
щего напряжения мы имеем отрицательную корону. Аналогом
такого разряда является река из электронов, которые как ру-
чейки стекаются «с гор» в единое русло. Энергия такого потока
электронов велика, крутизна переднего фронта не очень зна-
чительна, и, как результат, максимальная частота в импульсе
редко превышает 100 МГц.
На отрицательной полуволне питающего напряжения мы
имеем положительную корону. Аналогом такого разряда яв-
ляется «река в пустыне», когда заряды растекаются по песку в
мелкие ручейки, которые мгновенно «высыхают». Понятно, что
энергия положительной короны многократно меньше, чем в от-
рицательной короне, импульсов меньше, и они имеют меньшую
энергию. Крутизна первого фронта у таких импульсов выше, и
граничная частота колебаний может достигать 400 МГц.
Завершить рассмотрение данного вопроса можно доста-
точно просто и однозначно. Если для регистрации частичных
разрядов используется аппаратура, работающая в диапазоне
частот выше 400 МГц, то о влиянии коронных разрядов можно
забыть. Если же частота регистрации частичных разрядов в
вашей аппаратуре ниже, то коронные разряды будут являться
для вас проблемой номер один при анализе состояния изо-
ляции в трансформаторном оборудовании.
3.1.2.5. Отстройка от коронных разрядов при помощи
регистрации импульсов в двух частотных
диапазонах.
Оптимистическое заключение о полной победе над ко-
ронными разрядами, которым мы завершили предыдущий
раздел, касающийся выбора высокочастотного диапазона для
регистрации, не является абсолютным. Это заключение лучше
всего характеризуется известной поговоркой, гласящей, что
«при вытаскивании носа завязает хвост». Проблема заклю-
чается в том, что, исключив коронные разряды, перейдя на
регистрацию в высокочастотном диапазоне, мы катастрофи-
чески теряем в точности измерений.
Проводя измерение частичных разрядов в UHF-диапазоне
частот, мы не можем корректно провести достоверную ка-
либровку измерительной схемы. Измерять параметры раз-
рядов мы можем достаточно точно, но определить истинные
значения параметров частичных разрядов мы не можем. Мы,
конечно, можем инжектировать калибровочные импульсы в
контролируемый объект, в данном случае, в трансформатор,
можем, каким-то образом измерить отклик от калибровочного
импульса, но достоверность этой информации минимальна,
если не сказать большего. Причин тут несколько, назовем са-
мые важные из них.
Во-первых, электромагнитное излучение от дефекта в изо-
ляции трансформатора очень сильно зависит от места возник-
новения дефекта. Простой пример. Измерительная антенна
располагается с одной стороны обмотки, например, фазы «В».
Очевидно, что частичный разряд одинаковой мощности, но
возникающий на разных сторонах обмотки, будет наводить
сигналы, отличающиеся друг от друга в десять и более раз.
А что будет, если импульс частичного разряда возникнет на
поверхности или же в глубине обмотки? Ответ однозначен, мы
получим на выходе измерительной антенны сигналы, значи-
тельно отличающиеся друг от друга по своей амплитуде.
Во-вторых, выходной сигнал от направленной антенны
(а именно датчики стараются использовать с переносными
приборами) очень сильно зависит от стационарности ее по-
ложения. Поворот приемной антенны на несколько десятков
градусов может значительно изменить сигнал на ее выходе.
Также на амплитуду выходного сигнала может оказать влияние
простое перемещение антенны.
Для решения этой проблемы в литературе предложено до-
статочно экзотичное решение, когда конфигурация измери-
тельной схемы, предназначенной для регистрации импульсов
частичных разрядов, включает в себя два разнотипных канала.
Первый канал, основной, производит измерения частичных
разрядов в HF-диапазоне частот с использованием высоко-
частотных трансформаторов тока или конденсаторов связи.
Второй канал, вспомогательный, производит синхронную
регистрацию частичных разрядов в UHF-диапазоне частот с
использованием электромагнитных датчиков — антенн.
Принцип работы такого прибора для измерения частич-
ных разрядов в трансформаторном оборудовании достаточно
прост и понятен. Канал измерения частичных разрядов в UHF-
диапазоне частот является референсным, разрешающим или
запрещающим регистрацию импульса от частичного разряда,
которая проводится только в диапазоне HF. Поясним это на
примерах.
Если высокочастотный импульс присутствует на выходе
обоих измерительных каналов, то с высокой степенью вероят-
ности можно говорить, что этот импульс возник от частичного
разряда в изоляции трансформатора. Такой импульс необхо-
димо включить в данную регистрацию.
Если же высокочастотный импульс присутствует только на
выходе HF измерительного канала, а на выходе UHF-канала
его нет, то вероятнее всего это импульс от коронного разряда,
т.е. это помеха, пришедшая в контролируемый трансформа-
тор извне. Причина такого заключения достаточно подробно
описана выше. Данный импульс следует забраковать, т.е. ис-
ключить его из данной регистрации.
Дальше все просто. В нашей регистрации, полученной по
HF-измерительному каналу, будут присутствовать только «ин-
формативные» импульсы, а от всех помех мы уже отстроились,
используя информацию на выходе UHF-канала. Как уже не
раз указывалось, калибровку измерительных каналов, рабо-
тающих в HF-диапазоне частот, сделать достаточно легко с
приемлемой для практики точностью.
Таким образом, будет получена информация об уровне и
распределении частичных разрядов в изоляции контроли-
руемого трансформатора, «очищенная» от коронных разрядов
и других импульсов помех «извне» контролируемого транс-
форматора. Особо важным является то, что эта информация
будет зарегистрирована при помощи заранее калиброванной
измерительной схемы.
Одна проблема, причем весьма значительная, в этом слу-
чае все равно остается, это проблема наличия необходимых
технических средств. Редко какая из фирм, производящих
диагностическое оборудование, имеет такие устройства в своей
производственной программе. Как правило, это заказная и
достаточно дорогая измерительная техника. Мы надеемся, что
эта проблема будет эффективно решена в ближайшее время
производителями измерительной техники.
3.1.2,6, Отстройка от коронных разрядов
при помощи алгоритмических и программных
средств.
Программные средства, которые тоже можно использовать
для борьбы с помехами, при регистрации частичных разрядов
в трансформаторном оборудовании являются, образно говоря,
последним рубежом защиты от влияния коронных разрядов.
Они применяются в том случае, когда уже были использованы
все возможные технические средства отстройки от влияния
коронных разрядов, но требуемого эффекта они не дали. От-
дельно взятые алгоритмические средства защиты от помех не
могут обеспечить должной помехозащищенности процедуры
измерения и диагностики состояния изоляции.
В связи с тем, что эти методы отстройки от высокочастот-
ных помех работают на «алгоритмическом уровне», т.е. с уже
зарегистрированными данными, применение этих методов
возможно практически всегда. С их помощью можно попы-
таться максимально очистить от помех любые высокочастот-
ные сигналы. Назначение этих методов — улучшение общей
помехоустойчивости системы регистрации и анализа частич-
ных разрядов в высоковольтной изоляции трансформаторов
и другого высоковольтного оборудования.
Все используемые на практике алгоритмические средства
разделения импульсов частичных разрядов от импульсов
коронного разряда базируются на анализе частотных и вре-
менных параметров и свойств импульсов. Мы их достаточно
подробно описывали выше, поэтому здесь только просто пере-
числим их.
Во-первых, это общий анализ формы импульса, при кото-
ром производится сравнение каждого регистрируемого высо-
кочастотного сигнала с некоторым «образом», усредненной
формой, характерного импульса от коронного разряда. Дан-
ный анализ обычно выполняется только подготовленными
пользователями «вручную» или же при помощи специальных
аналитических программ, написанных на основании знаний
экспертов. «Ручной» анализ формы сигналов является доста-
точно сложным вопросом, трудно поддающимся алгоритмиче-
ской формализации. Несмотря на то, что мы описываем помехи
такого типа общим термином «коронный разряд», существует
огромное разнообразие таких импульсов. Форма их зависит
от величины рабочего напряжения, места возникновения
разрядов, типа контролируемого оборудования, удаления от
измерительного датчика и т.д. Каждый конкретный случай
анализа требует специального описания «шаблона формы»
возникающих импульсов коронных разрядов, что под силу
только специалистам.
Во-вторых, это использование TFM-распределения импуль-
сов для разборки их на группы, используя время-частотные
параметры каждого импульса. Эта процедура акцентирует
внимание на двух параметрах формы высокочастотного им-
пульса. Это:
- Частота первого пика в сигнале (что эквивалентно дли-
тельности первого пика).
- Полная длительность высокочастотного сигнала частич-
ного разряда (время затухания до уровня 0,05 от максимального
значения).
Вполне очевидно, что второй подход к разделению импуль-
сов на различные типы теоретически имеет меньшую эффек-
тивность, так как рассматривает только два параметра формы
импульса. На самом деле это не так. В силу универсальности
использования TFM-плоскости этот метод является универ-
сальным, в меньшей мере зависящим от «базы данных кон-
кретного эксперта». В результате этот метод чаще используется
на практике и дает больший практический эффект.
Метод отстройки от коронных разрядов с использовани-
ем TFM-распределения импульсов является не только уни-
версальным, но и адаптивным. Он позволяет проверять все
выявленные на TFM-плоскости группы импульсов уже при
помощи PRPD-распределения импульсов. Проверка каждой
группы импульсов производится на PRPD-плоскости, когда
рассматривается связь импульсов группы с фазой питающего
напряжения, выявляются соответствующие признаки корон-
ного разряда. Это дает возможность любому пользователю в
каждом конкретном случае измерения и диагностики более
точно описывать параметры формы коронного разряда.
Как мы уже писали выше, в анализ формы сигнала частич-
ного разряда может быть включена оценка частотных свойств
«внутри» импульса. Для этих целей удобнее всего использовать
вайвлет-преобразование.
Проблема с его использованием очень проста, посколь-
ку на практике он используется редко, у многих существует
предубеждение, что это сложно. На самом деле ничего слож-
ного там нет, это просто анализ частотных свойств импульса в
каждой временной точке. Для этого существуют стандартные
процедуры и программы преобразования сигналов. Главное
заключается в другом: это вспомогательный метод, и не надо
ждать от него большой помощи. Различить между собой два
и более импульса, которые на TFM-плоскости находятся в
одной группе, он поможет. Это, пожалуй, все, больше ничего
нового и интересного вайвлет-анализ не может.
3.1.3. Измерение частичных разрядов в изоляции
трансформаторов понижающих подстанций
в режиме «оп-Нпе».
Здесь мы первый раз применили широко распространен-
ный термин — проведение измерений параметров изоляции
трансформаторного оборудования в режиме «on-line». Поэтому
придется сделать небольшое методологическое отступление,
чтобы попытаться максимально корректно разобраться с ис-
пользованием термина «измерение параметров оборудования
в режиме on-line» применительно к диагностике изоляции
трансформаторов.
В трактовках различных авторов в разных источниках по-
нятие «on-line» описывается почти одинаково, но некоторые
разночтения все же есть, и эти отступления могут привести к
появлению неточностей в понимании процедуры измерения
частичных разрядов в изоляции трансформаторов.
Чаще всего под термином «режим on-line» большинством
авторов понимается проведение измерений параметров состоя-
ния под рабочим напряжением. Однако, в некоторых случаях
делается уточнение, что контролируемое оборудование нахо-
дится в работе. Между этими понятиями, описывающими про-
ведение измерений, применительно к измерению частичных
разрядов в изоляции трансформаторов в самом общем случае
есть некоторое методологическое различие. Поясним это.
Вариант 1. Трансформатор работает в заданном режиме,
по мере надобности выполняются замеры параметров. Пер-
вичные датчики установлены стационарно и заранее во время
остановки оборудования. Измерения производятся в режиме
постоянного или периодического мониторинга. Это «настоя-
щие» «оп-Ипе» измерения на работающем оборудовании.
Вариант 2. Трансформатор выводится из эксплуатации,
отключается от напряжения. На нем монтируются по времен-
ной схеме первичные датчики. Трансформатор подключается
на рабочее напряжение, проводятся измерения в режиме хо-
лостого хода. Трансформатор отключается, демонтируются
датчики, измерение закончено. Считать ли это измерение тоже
сделанным в режиме «on-line»? Было номинальное напряжение,
могли быть те же датчики, результаты в большинстве своем
сопоставимы.
Вариант 3. Трансформатор выводится из работы, первичная
обмотка отключается от питающей сети. На первичной обмот-
ке монтируются датчики частичных разрядов. На вторичную
обмотку подается напряжение от внешнего источника, чаще
всего от другого трехфазного трансформатора. Производится
измерение частичных разрядов в первичной обмотке, отклю-
ченной от питающего напряжения, под напряжением, транс-
формированным из вторичной обмотки.
Различие между этими вариантами измерения частичных
разрядов заключается в том, что существуют различия в тех-
нологических параметрах работы трансформатора, но напря-
жение на обмотку всегда подается номинальное. В основном,
это будет заключаться в отсутствии или наличии нагрузки
трансформатора и, как результат, в температурных режимах
работы трансформатора в момент проведения измерений.
Нельзя полностью исключать влияние температуры обмоток
трансформатора на интенсивность частичных разрядов в изо-
ляции, но следует признать, что это влияние обычно является
второстепенным и неоднозначно связанным с первопричиной.
Увеличение температуры обмоток трансформатора, например,
на 50 градусов, обычно не приводит к сколько-нибудь значи-
тельному изменению уровня частичных разрядов.
Существует и третий вариант измерения частичных раз-
рядов в трансформаторе «под рабочим напряжением». В этом
варианте первичная обмотка трансформатора отключается
от сети, а питающее напряжение подается на вторичную об-
мотку. В результате на отключенной первичной обмотке будет
номинальное напряжение. Такой режим имеет свои плюсы
— отсутствует влияние других высоковольтных объектов,
расположенных на стороне обмотки высокого напряжения
трансформатора. Помехи из высоковольтной части энерго-
системы будут значительно ослабленными, гальваническая
связь трансформатора с системой будет разорвана. В остальном
регистрация частичных разрядов, с точки зрения организации
процедуры и условий проведения измерений, остается неиз-
менным.
Результатом этого поверхностного анализа может быть за-
ключение, что под измерением частичных разрядов в транс-
форматоре в режиме «on-line» мы будем понимать любое из-
мерение, проводимое под рабочим, обычно номинальным,
напряжением. Наличие или отсутствие нагрузки на трансфор-
маторе, а также способ подачи напряжения на испытываемую
обмотку трансформатора для нас ничего не меняет.
Если напряжение на трансформаторе будет меньше номи-
нального, то проводить измерение частичных разрядов нет
смысла, так как их уровень и распределение, если все-таки они
возникнут при пониженном напряжении, будут совершенно
другими. Под рабочим напряжением с частичными разрядами
все будет иначе. По этой причине мы не будем делать различий
между этими двумя способами регистрации частичных разря-
дов в трансформаторах. Это может производиться под рабочим
напряжением и под нагрузкой, и под рабочим, но испытатель-
ным напряжением, и без нагрузки трансформатора.
В настоящее время наиболее распространенными явля-
ются силовые высоковольтные трансформаторы, напряжение
обмотки НН которых составляет 6—10 кВ. Трансформаторы
различной мощности с напряжениями 110/10 кВ составляют
большинство на распределительных подстанциях. Именно с
них начинается класс высоковольтных силовых трансформато-
ров, в которых измерение частичных разрядов имеет смысл. У
трансформаторов, напряжение первичной обмотки у которых
меньше, чем ПО кВ, измерение частичных разрядов обычно
не производят.
Причин этому несколько:
- Измерение частичных разрядов затруднено отсутствием у
высоковольтных вводов с рабочим напряжением, меньшим НО
кВ, измерительных ПИН. По этой причине отсутствуют места,
где достаточно дешево могут быть смонтированы первичные
датчики для измерения высокочастотных импульсов.
- Стоимость таких трансформаторов сравнительно неве-
лика, поэтому дешевле эксплуатировать трансформатор, не
используя затратных методов оценки технического состояния,
ограничиваясь минимальным набором диагностических те-
стов. Например, достаточно просто измерять сопротивление
изоляции и периодически контролировать технические и изо-
ляционные параметры масла.
Наиболее часто используемая на практике схема измере-
ния частичных разрядов в изоляции силового понижающего
трансформатора с рабочими напряжениями ВН/НН, состав-
ляющими 110/10 кВ, приведена на рисунке 3.9.
a DB-2
0----=
в DB-2
0---==
С ВВ-2
0----==
сс Е сс Е сс Е
Рис. 3.9. Схема измерения частичных разрядов в силовых
трансформаторах 110/10 кВ.
Такая схема установки первичных датчиков может быть
использована при разовых измерениях частичных разрядов,
проводимых при помощи переносных приборов. При установке
на трансформаторе системы стационарного контроля параме-
тров изоляции, т.е. систем мониторинга, эта схема монтажа
датчиков частичных разрядов также широко применяется.
В этой широко применяемой схеме для измерения частич-
ных разрядов в изоляции вводов и в главной изоляции транс-
форматора используются первичные датчики двух типов. Это
универсальные датчики марки DB-2 для измерения частичных
разрядов во вводах и в первичной обмотке и конденсаторы
связи марки СС для измерения частичных разрядов во вто-
ричной обмотке.
Любопытный читатель, может быть, уже заметил интерес-
ную особенность данной измерительной схемы, связанную с
первичными датчиками. Она заключается в том, что принцип
измерения частичных разрядов в обмотках ВН и НН транс-
форматора, несмотря на использование датчиков различного
типа, абсолютно одинаков. Еще раз поясним эту особенность
измерения частичных разрядов в трансформаторах.
Основным элементом цепи измерения частичных разря-
дов в первичной обмотке трансформатора является емкость
ввода «С1», величина которой примерно равна 500 пФ. Далее
высокочастотный сигнал с ПИН непосредственно или через
небольшой высокочастотный трансформатор тока поступает
в измерительный прибор системы мониторинга. Этот транс-
форматор предназначен для выделения из тока проводимости
ввода, имеющего промышленную частоту высокочастотных
импульсов.
Цепь измерения частичных разрядов во вторичной обмотке
трансформатора состоит из «внешнего» конденсатора связи
СС, величина которого обычно равна 80 пФ. Далее высоко-
частотный сигнал напрямую или через установленный в цепи
заземления (конденсатора) высокочастотный трансформатор
поступает в измерительный прибор. Трансформатор также
предназначен для выделения высокочастотных импульсов из
общего сигнала.
Из этого простого сравнения хорошо видно, что измери-
тельные цепи для обеих обмоток трансформатора методически
одинаковы и состоят из двух одинаковых элементов — «разде-
лительного конденсатора — СС» и, может быть, «высокочастот-
ного измерительного трансформатора тока — RFCT». Различие
между ними состоит только в том, что в качестве конденсатора
связи при измерении в первичной обмотке трансформатора ис-
пользуется емкость ввода С1, что возможно благодаря наличию
во вводе измерительного вывода ПИН. Это существенно упро-
щает и удешевляет проведение измерений частичных разрядов,
так как специализированный разделительный конденсатор на
ПО кВ является дорогим и громоздким устройством.
Для измерения частичных разрядов в первичной обмотке
трансформатора в цепи заземления нейтрали обмотки может
быть установлен датчик марки «RFCT» (на рисунке не пока-
зан), но это не всегда оправдано. Достаточно часто силовые
распределительные трансформаторы работают с отключенной
от земли нейтралью, поэтому пользы от этого датчика будет
немного.
Далее следует ответить на следующий очень важный во-
прос. Каким образом следует конфигурировать измеритель-
ный прибор, как переносной, так и стационарный, чтобы при
помощи измерительной схемы, показанной на рисунке 3.9.,
зарегистрировать максимально достоверную информацию о
наличии и распределении частичных разрядов в контроли-
руемом трансформаторе?
Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить, какие
проблемы при измерении частичных разрядов в силовых транс-
форматорах являются наиболее важными. Причем основное
внимание следует уделять тем проблемам, решение которых
возможно только на «аппаратном уровне» в момент проведения
регистрации в режиме реального времени. Помехам, отстройка
от которых возможна и на алгоритмическом уровне, также
следует уделять внимание, но они не так критичны на этом
этапе проведения измерений.
Во-первых, это конечно те высокочастотные импульсы
помех, которые приходят в контролируемый трансформатор
извне, через вводы обмотки НН, и особенно через вводы об-
мотки ВН. Наиболее опасными из них являются импульсы
коронных разрядов на стороне ВН, имеющие большую ампли-
туду и интенсивность и по своим параметрам очень близкие к
импульсам частичных разрядов в изоляции.
Во-вторых, это импульсы, наведенные внутри трансфор-
матора с одной фазы на другую. Например, при проведении
измерений частичных разрядов в фазе «А», сторона ВН, мы
можем зарегистрировать импульсы, наведенные с фазы «В»,
тоже сторона ВН, и принять решение о наличии проблем с
изоляцией в фазе «А». Обычно это бывает при использовании
одноканальных приборов и осциллографов.
В-третьих, возможна наводка паразитных импульсов при
регистрации в одной фазе с другой обмотки трансформатора
или импульсов, возникших при разрядных процессах различ-
ной природы возникновения в сердечнике трансформатора.
От таких импульсов также необходимо эффективно отстраи-
ваться.
Конфигурация измерительного прибора (переносного или
системы мониторинга), ориентированная на отстройку от
максимального количества помех уже «на аппаратном уров-
не», приведена на рисунке 3.10. Конфигурация датчиков и
измерительных каналов соответствует режиму регистрации
частичных разрядов в обмотке и вводе фазы «А», стороны ВН
трансформатора.
В приведенной на рисунке 3.10. конфигурации схемы из-
мерения частичных разрядов задействованы 4 канала прибора
системы мониторинга, имеющих различное методическое
назначение.
- Измерительный канал «SCh-1» предназначен для регистра-
ции импульсов частичных разрядов в изоляции фазы транс-
форматора, это основной канал в регистрации.
- Референсные (опорные) измерительные каналы «RCh-2» и
«RCh-З» предназначены для сравнения параметров импульсов
в основном измерительном канале с импульсами отдатчиков,
установленных в двух других фазах одноименной обмотки
трансформатора.
- Шумовой канал «NCh-4» позволяет проводить амплитуд-
ное сравнение импульсов, регистрируемых со всех других пер-
Рис. 3.10. Конфигурация измерительного прибора
при измерении частичных разрядов в фазе «А»
контролируемого трансформатора.
вичных датчиков, подключенных не к ПИН вводов первичной
обмотки трансформатора. В рамках данной конфигурации к
этому каналу подключаются все датчики, смонтированные на
стороне НН. Если бы измерения частичных разрядов прово-
дились на стороне НН, то к этому каналу были бы подключены
все датчики, установленные на первичной обмотке.
Предлагаемая конфигурация измерительной схемы внешне
выглядит чрезмерно загруженной функциями, но на самом
деле в ней все продуманно и логично. Кратко рассмотрим
функциональные возможности такой конфигурации. Это мы
сделаем для того, чтобы показать, что все вышеописанные
способы отстройки от помех реализованы в данном измери-
тельном приборе.
Предлагаемая конфигурация измерительного прибора си-
стемы мониторинга частичных разрядов в трансформаторе
позволяет оперативно в режиме реального времени реализо-
вывать следующие функции:
• Сравнение импульсов с датчиков трех фаз первичной
обмотки по времени прихода «At» выполняется синхронно по
трем каналам, сигнальному и двум опорным. Это позволяет
определить, какой фазы обмотки импульс достигает рань-
ше всех. Если импульс сначала достигает фаза «А», то этот
импульс принадлежит контролируемой фазе и должен быть
включен в регистрацию. Если он раньше придет на фазы «В»
или «С», то этот импульс принадлежит этим фазам и к фазе
«А» не имеет отношения. Из текущей регистрации по фазе «А»
его необходимо исключить.
• Сравнение импульсов с трех фаз обмотки трансформатора
по амплитуде. Если импульс будет наводиться с одной фазы
на другую, то амплитуда наведенного импульса всегда будет
меньше, чем амплитуда первичного импульса. Это позволяет
исключать из рассмотрения импульсы, возникшие в других
фазах. В данном случае это будут импульсы, возникшие в фа-
зах «В» и «С».
• Сравнение высокочастотных импульсов с вводов трех фаз
или с трех фаз вторичной обмотки по полярности. Приведенная
схема измерения позволяет одновременно контролировать по-
лярность высокочастотных импульсов, проходящих по вводам
обмотки ВН. В том случае, если полярность трех импульсов
будет различаться, то это будет говорить о том, что данный
импульс «пришел в трансформатор извне», и вероятнее всего,
это импульс коронного разряда. Такой «помеховый» импульс
необходимо исключать из текущей регистрации.
• Сравнение импульса в измеряемой фазе первичной об-
мотки трансформатора по амплитуде с импульсами во вто-
ричной обмотке трансформатора. Это позволяет исключать
из рассмотрения импульсы, пришедшие в трансформатор по
цепям вторичной обмотки и не относящиеся к контролируе-
мой фазе обмотки.
Регистрация частичных разрядов в других фазах транс-
форматора производится аналогично. Для перехода к таким
измерениям производится при помощи встроенного в прибор
коммутатора переключение первичных датчиков к различ-
ным измерительным каналам, т.е. изменяется конфигурация
измерительной схемы. Например, для измерения частичных
разрядов в фазе «В» данный датчик на ПИН подключается
к измерительному каналу. Фазы «А» и «С» подключаются к
референсным каналам. Идеология работы всех каналов при-
бора, и измерительного, и двух опорных и шумового канала, к
которому подключены датчики вторичной обмотки, при этом
полностью сохраняется.
Как уже писалось выше, конфигурация современных из-
мерительных приборов, т.е. переключение первичных датчи-
ков к измерительным каналам различных типов, создается не
путем прямых коммутаций, а программным путем, создавая
виртуальный прибор при помощи начальных установок. Так
работают переносные и стационарные приборы производства
фирмы «DIMRUS». Так работают лучшие приборы производ-
ства других фирм-производителей диагностического обору-
дования. Конфигурация измерительных каналов в них также
создается на месте или может быть загружена с компьютера.
Последнее общее замечание по данному вопросу. Хоте-
лось бы еще раз предостеречь пользователей от бездумного
использования современных цифровых осциллографов для
регистрации частичных разрядов, особенно в трансформато-
рах. Да, они имеют прекрасные технические параметры, да,
они универсальны, они доступны. Кажется, что зачем ждать,
и так все видно на экране осциллографа.
Наш практический опыт показывает, что используя осцил-
лограф, вы можете получить только 10—20% той информации,
которая может быть получена пользователем со специализи-
рованным прибором регистрации частичных разрядов. На-
верняка существуют ситуации, когда и такой минимальной
по объему информации будет казаться достаточно, но уверяем
вас, это будет длиться только первые 20 минут. Вы, а особенно
служба эксплуатации контролируемого высоковольтного обо-
рудования, обязательно захотят знать больше, точнее, достовер-
нее о тех импульсах, которые увидите на экране осциллографа,
и особенно о причинах, их породивших.
3.1.4. Измерение частичных разрядов в изоляции
трансформаторов передающих подстанций.
RFCT-4
Q
с0
Q
b
а
Следующий класс силовых трансформаторов, важный по
своему применению и обширный по количеству эксплуати-
руемых единиц, составляют трансформаторы передающих
транспортных подстанций. Основное назначение транс-
форматоров таких подстанций — создание единой системы
электроснабжения путем создания путей передачи энергии на
большие расстояния, а также объединения между собой ЛЭП
и высоковольтных объектов с различным значением рабочего
напряжения.
Достаточно часто встает вопрос о проведении измерений
параметров изоляции в таких ответственных трансформато-
рах. Мы не утверждаем, что измерение параметров частичных
разрядов в них имеет существенные отличия от уже описан-
ных измерений в понижающих трансформаторах, скорее даже
нет. Измерение частичных разрядов в них имеет очень мно-
го общего, посколь-
ку трансформаторы
эти очень похожи.
Просто, делая такую
градацию, проще вы-
делить и описать осо-
бенности измерения
частичных разрядов
в самых мощных
трансформаторах
энергосистем.
Наиболее распро-
страненная схема из-
мерения частичных
разрядов в изоляции
силовых трансформа-
торов, которая чаще
всего применяется
на практике, приве-
дена на рисунке 3.11.
Q
0
с
Рис. 3.11. Схема измерения частичных
разрядов в силовом двухобмоточном
трансформаторе транзитной подстанции.
На этом рисунке показан обычный двухобмоточный силовой
трехфазный трансформатор, на котором установлено 7 датчи-
ков частичных разрядов.
Данная измерительная схема приведена для трансформато-
ра, у которого на вводах первичной обмотки, как и на вводах
вторичной обмотки (вне зависимости от того, являются они
маслонаполненными или имеют твердую RIP-изоляцию), име-
ются специальные измерительные выводы. Это обозначает, что
рабочее напряжение обмотки НН составляет не ниже ПО кВ.
На эти ПИН вводов для проведения измерений параметров
состояния изоляции монтируются стандартные комплекс-
ные датчики тока проводимости и частичных разрядов марки
DB-2.
Если планируется провести разовые измерения частичных
разрядов в трансформаторе по временной схеме, то можно огра-
ничиться наиболее дешевыми датчиками марки RFCT-1. Эти
кольцевые датчики нужно при монтаже надеть на временный
проводник заземления ПИН ввода, как это уже было подробно
описано выше и показано на рисунке 3.3.
В цепи заземления нейтрали первичной и вторичной об-
моток можно также смонтировать датчики марки RFCT-4
или RFCT-7. Эти датчики рассчитаны на монтаж в условиях
эксплуатации, так как имеют разъемный корпус. На рисунке
3.10 эти датчики специально не показаны, так как вопрос по
возможности и необходимости их монтажа на трансформаторе
окончательно решается только после рассмотрения допустимых
режимов работы нейтрали обоих обмоток трансформатора.
На рисунке также показан один разъемный датчик мар-
ки RFCT-4, смонтированный на заземляющей шине бака
трансформатора. Хотя информативность использования та-
ких датчиков для измерения частичных разрядов в изоляции
трансформаторов является спорной, но это компенсируется
простотой его монтажа. Вполне возможен практический слу-
чай, когда в силу конструктивных особенностей контролируе-
мого трансформатора и особенностей его монтажа при помощи
такого датчика в цепи заземления бака возможно получение
дополнительной полезной информации.
Функционально конфигурация измерительного прибора
или системы мониторинга, реализующая схему измерения
частичных разрядов в трансформаторе, показанную на рисун-
ке 3.11., практически ничем не отличается от конфигурации,
описанной на рисунке 3.9. Единственным отличием данной
измерительной схемы является использование шести одно-
типных датчиков марки DB-2, тогда как в предыдущей схеме
для понижающего трансформатора вместо трех датчиков DB-2,
установленных на стороне НН трансформатора, использова-
лись обычные конденсаторы связи.
По причине равенства конфигураций измерительных при-
боров для обоих типов силовых трансформаторов функцио-
нальные возможности схемы отстройки от помех в данном
случае ничем не отличаются от возможностей, описанных
выше. Поэтому нет смысла повторять их заново. Некоторые
расширенные функциональные возможности отстройки от
помех могут возникнуть в том случае, если будут смонтированы
первичные датчики RFCT-4 в нейтрали первичной и вторич-
ной обмоток трансформатора. Эти возможности будут носить
дополняющий характер, позволяющие лучше отстраиваться
от коронных разрядов по методу «time of arrival», поэтому мы
не будем их описывать отдельно.
3.1.4.1. Измерение частичных разрядов в групповых
трансформаторах и автотрансформаторах.
Схема измерения частичных разрядов в мощных силовых
автотрансформаторах, составленных их трех однофазных
трансформаторов (групповой трансформатор), составляющих
основу систем передачи энергии большой мощности, на первый
взгляд, не имеет существенных отличий от измерительной
схемы, приведенной на рисунке 3.11., которая соответствует
случаю измерения частичных разрядов в силовом трансфор-
маторе, выполненном в одном баке.
На рисунке 3.12. приведен наиболее распространенный
вариант схемы установки первичных датчиков и измерения
A fc
а
DB-2
Рис. 3.12. Схема измерения частичных разрядов в групповом
автотрансформаторе.
частичных разрядов применительно к мощному автотранс-
форматору, имеющему раздельное исполнение фаз в отдельных
баках.
В мощных групповых автотрансформаторах нейтраль трех-
фазной обмотки, которая является общей для первичной и
вторичной стороны, всегда подключена к земле. Это дает воз-
можность легко смонтировать там датчик частичных разрядов.
Но это еще не все, благодаря раздельному исполнению фаз
трансформатора (сердечника, обмоток и самого бака), имеется
возможность измерять частичные разряды не только в общей
цепи заземления нейтрали, в которой протекают сумма токов
трех фаз, но и проводить измерения импульсов частичных
разрядов раздельно, для каждой фазы.
На ПИН вводов ВН и СН каждой фазы стандартным обра-
зом установлены датчики марки DB-2, а в цепи нейтрали фазы,
точнее говоря это «нижний» вывод обмотки, устанавливается
датчик марки RFCT-7. Использование этого датчика с разъ-
емным сердечником, а не датчика марки RFCT-4, обусловлено
простой причиной. Датчик RFCT-7 может без значительных
искажений работать в том случае, когда через него будет про-
текать значительный ток промышленной частоты до 1000 А,
что невозможно с датчиком RFCT-4.
Если же нейтраль группового трансформатора, проложен-
ная между баками фаз, выполнена шиной большого сечения,
то на ней все равно придется монтировать датчик RFCT-4,
так как его внутреннее отверстие больше. В этом случае для
исключения насыщения сердечника придется при сборке маг-
нитопровода датчика между половинками сердечника вложить
немагнитную прокладку толщиной 3—5 мм.
Автотрансформаторы, работающие в системах дальней
передачи энергии, практически всегда имеют очень высокое
рабочее напряжение первичной обмотки. Оно составляет обыч-
но 500 кВ и даже 750 кВ. Поэтому при проведении измерений
частичных разрядов в них необходимо уделять особое внима-
ние отстройке от импульсов коронных разрядов.
Все перечисленные особенности организации процедуры
измерения частичных разрядов свойственны всем крупным
трансформаторам. Наиболее характерные отличия регистрации
частичных разрядов в групповых трансформаторах связаны с
раздельным конструктивным исполнением фаз, реализован-
ных в разных баках, к тому же разнесенных на достаточно
большие расстояния друг от друга.
Это приводит к тому, что уменьшается электромагнитная
связь между фазами группового трансформатора. Это и хорошо,
и плохо. Хорошо потому, что уменьшается количество им-
пульсов, наведенных в одной фазе от других, это уменьшение
количества помех. Плохо потому, что уменьшаются возмож-
ности отстройки от внешних сигналов, особенно от коронных
разрядов, влияние которых очень велико. Соответственно, это
увеличивает требования к помехозащищенности и эффектив-
ности работы измерительного оборудования, используемого
для таких трансформаторов.
3.1.5. Измерение частичных разрядов в силовых
трансформаторах с использованием источника
испытательного напряжения.
В тех случаях, когда практически не удается качествен-
но отстроиться от внешних помех, в основном, от коронных
разрядов и разрядов, наведенных в контролируемом транс-
форматоре от другого оборудования, можно попытаться про-
вести измерение частичных разрядов на выведенном из работы
оборудовании. Напомним, что такие измерения частичных
разрядов все равно необходимо проводить под напряжением,
равным номинальному значению для данного типа трансфор-
матора. Иначе такие измерения не будут иметь практического,
диагностического смысла.
Такие измерения по своему определению являются более
трудоемкими, что связано с отключением трансформатора от
внешней высоковольтной сети. Однако, теоретически, а ино-
гда и практически, это позволяет получать более достоверные
результаты о техническом состоянии изоляции.
Для проведения измерений частичных разрядов в режи-
ме «off-line» трансформатор необходимо вывести из работы и
полностью отключить от всех питающих линий. Поскольку
частичные разряды возникают в изоляции трансформатора
только под рабочим напряжением, па его обмотки обязательно
должно быть подано напряжение, близкое, а в идеале равное
по величине номинальному значению той обмотки, в которой
предполагается проводить измерения частичных разрядов.
Необходимости в обеспечении режима нагрузки контро-
лируемого трансформатора нет, так как прямой связи между
уровнем нагрузки трансформатора и уровнем возникающих
при этом частичных разрядов нет. Существуют косвенные
связи уровня частичных разрядов и величины нагрузки транс-
форматора, но эти связи возникают через другие параметры,
например, через нагрев обмоток и т.д., и являются они неяв-
ными, неоднозначными. По этой причине контролируемый
трансформатор может в процессе измерений в режиме «off-line»
находиться в режиме холостого хода.
Возможны два варианта организации такого режима опыт-
ного холостого хода.
Во-первых, это можно реализовать при использовании трех-
фазного источника испытательного напряжения. Его необхо-
димо подключить к одной «стороне» трехфазного трансформа-
тора, обычно к стороне низкого напряжения. На практике это
сделать маловероятно, так как такой высоковольтный трехфаз-
ный источник является громоздким и не всегда присутствует
на подстанции.
Более простым является случай, когда у контролируемого
трансформатора отключается от сети только одна обмотка, на-
пример, высокого напряжения. При этом питание на контроли-
руемый трансформатор подается со стороны обмотки низкого
напряжения. В этом случае удается значительно уменьшить
количество помех, наведенных в контролируемом трансфор-
маторе «извне», так как большая часть их поступает по ли-
ниям высокого напряжения. По цепям низкого напряжения
частичные разряды если и наводятся, то в незначительном
количестве.
Схема для проведения таких измерений частичных разрядов
при питании трансформатора со стороны низкого напряжения
Рис. 3.13. Схема измерения частичных разрядов при
питании трансформатора со стороны НН.
Такая схема измерения частичных разрядов не имеет в себе
каких-либо принципиальных отличий с точки зрения разме-
щения на трансформаторе первичных датчиков, но является
более эффективной. Ее использование только позволяет су-
щественно уменьшить количество помех от наведенных извне
импульсов, что иногда является критическим для проведения
измерений частичных разрядов.
Следует хорошо понимать, что если контролируемый
трансформатор располагается на высоковольтной подстан-
ции близко от оборудования, которое во время проведения
измерений не выведено из работы, то на него все равно будут
наводиться импульсы помех. Чем ближе будет располагаться
такое «включенное» высоковольтное оборудование, тем выше
будет уровень высокочастотных помех, тем ближе эта схема
будет к стандартной схеме измерения частичных разрядов,
используемой в режиме «on-line».
3.1.6. Измерение частичных разрядов в изоляции
измерительных трансформаторов тока.
В силу ряда технических особенностей, а часто и условий
эксплуатации, уровень аварийности высоковольтных измери-
тельных трансформаторов тока сравнительно высок, поэто-
му задача оперативного определения параметров изоляции
в таком оборудовании возникает у практических диагностов
достаточно часто. Это вполне очевидно, ведь проводить диа-
гностические работы всегда приходится с оборудованием,
аварийность которого вне зависимости от причин возникно-
вения сравнительно высока.
Сама процедура измерения частичных разрядов в измери-
тельных трансформаторах тока имеет некоторые специфи-
ческие особенности, связанные различием конструкции и
исполнения высоковольтной изоляции силового и измери-
тельного оборудования. Основным отличием является отсут-
ствие в конструкции измерительных трансформаторах тока
высоковольтных вводов классической конструкции, которые
у силовых трансформаторов с рабочим напряжением ПО кВ
и выше являются основным местом установки первичных
датчиков частичных разрядов.
Для регистрации частичных разрядов в изоляции изме-
рительных трансформаторов используются выводы экранов,
смонтированных внутри трансформаторов. Они располага-
ются между первичной и вторичной обмотками. Вторичная
обмотка трансформатора отделена от первичной несколькими
изолирующими слоями, между которыми для выравнива-
ния потенциалов проложены слои фольги. Эти слои фольги
ни к чему не подключены. Вся эта изолирующая конструкция
между обмотками измерительного трансформатора называется
экраном или полуэкраном, в зависимости от марки транс-
форматора. От последней обкладки этого экрана, имеющей
наименьший потенциал, сделан вывод в коммутационную
коробку трансформатора, где он принудительно замыкается
на землю.
Из этого описания достаточно хорошо видно, что по своей
конструкции экран измерительного трансформатора тока очень
похож на обычный высоковольтный ввод. И идеологически он
очень похож на ввод, в котором «изоляционный пирог» предна-
значен для изоляции токопроводящего стержня ввода фазы. В
измерительном трансформаторе тока слои изоляции защищают
токопроводящую жилу, проходящую через корпус трансфор-
матора. В этом сам измерительный трансформатор тока очень
похож на обычный трансформаторный ввод, в котором слои
изоляции защищают токоведущий стержень ввода. По этой
причине выводы экранов используются как разделительные
конденсаторы, выделяющие из напряжения и тока промыш-
ленной частоты высокочастотные импульсы частичных раз-
рядов в изоляции измерительных трансформаторов.
Проведя такой сравнительный анализ, мы можем практи-
чески однозначно определить место для установки датчиков
частичных разрядов в измерительных трансформаторах тока
— это цепи заземления экранов изоляции.
Существуют два варианта монтажа датчиков частичных
разрядов в цепи заземления последней обкладки экрана, смон-
тированного внутри измерительного трансформатора тока
между высоковольтной токоведущей шиной и измерительными
обмотками.
В первом случае, внутри клеммной коробки трансформа-
тора на провод заземления экрана устанавливается высоко-
частотный измерительный трансформатор тока марки RFCT.
Сигнальным коаксиальным кабелем датчик соединяется с
прибором регистрации частичных разрядов в изоляции транс-
форматора. Достоинством этого варианта является простота
монтажа датчика, если используется разрезной датчик или
измерительные клещи, и его сравнительно невысокая цена.
Во втором варианте измерения частичных разрядов в из-
мерительном трансформаторе тока используется специализи-
рованный датчик, специально предназначенный для работы с
таким оборудованием, например, датчик марки DB-2/TT про-
изводства фирмы «DIMRUS». Этот датчик ставится в разрыв
цепи заземления последней обкладки экрана трансформато-
ра. Отличие этого датчика от обычного RFCT заключается в
том, что он является комплексным, позволяющим проводить
измерения не только частичных разрядов, но и токов про-
водимости изоляции (тангенс угла потерь) измерительного
трансформатора тока в процессе его эксплуатации.
Отличие комплексных датчиков частичных разрядов, рас-
считанных на использование с трансформаторами тока, от
датчиков, предназначенных для использования в силовых
трансформаторах, заключается в величине допустимого тока
промышленной частоты, протекающего через датчик. Датчики
марки DB-2/TT рассчитаны наток проводимости промышлен-
ной частоты величиной до 0,2 А. Это связано с тем, что емкость
экрана высоковольтного трансформатора тока в несколько
раз больше, чем емкость С1 ввода силового трансформатора.
Причина этого проста и понятна — с ростом линейных разме-
ров конденсатора при одинаковом зазоре суммарная емкость
всегда получается больше. В данном случае речь идет о том, что
зона расположения вторичных обмоток трансформатора тока
существенно больше, чем зона монтажного корпуса высоко-
вольтного ввода на баке силового трансформатора.
Для монтажа первичных датчиков в клеммной коробке из-
мерительного трансформатора тока вне зависимости от типа
используемого датчика измерительный трансформатор тока
в целях безопасности всегда необходимо отключать от сети.
Поэтому предпочтительно смонтировать на выводе экрана
комплексный датчик, дающий большие возможности для про-
ведения диагностики состояния изоляции.
Для трансформаторов тока, как и для большинства другого
высоковольтного оборудования, диагностика по частичным
разрядам и результаты определения тангенса угла диэлектри-
ческих потерь в изоляции под рабочим напряжением всегда
взаимно дополняют и уточняют друг друга.
Сама процедура регистрации и анализа частичных разрядов
в измерительных трансформаторах тока, первичные датчики
и необходимая для этого конфигурация измерительного при-
бора практически полностью повторяет все те особенности,
которые были описаны выше, применительно к измерениям
частичных разрядов в групповых силовых трансформаторах.
Это объясняется тем, что измерительные трансформаторы
тока всегда имеют однофазную конструкцию и для измерений
в трехфазных сетях всегда объединяются в группы аналогично
групповым однофазным трансформаторам.
3.1.7. Калибровка схем измерения частичных
разрядов в трансформаторах, использующих
датчики типа «С-Sensors».
Хочется еще раз коснуться очень важного методического
вопроса, касающегося особенностей проведения калибровки
измерительных цепей, применительно к трансформаторному
оборудованию. Это вопрос выбора параметров калибровочного
генератора, а если говорить еще точнее, выбора параметров
калибровочного импульса.
Чтобы подчеркнуть актуальность этого вопроса, повторим,
что при использовании калибровочных генераторов с разными
параметрами калибровочных импульсов, можно получить
итоговые результаты измерения частичных разрядов, разли-
чающиеся в два и более раз. И это не предел возможной коли-
чественной погрешности измерений! Дело обстоит еще хуже,
чем кажется на первый взгляд. Можно получить качественно
различающиеся PRPD-распределения импульсов частичных
разрядов в изоляции одного и того же трансформатора, т.е.
можно даже диагностировать другие типы дефектов!
Все эти важные вопросы мы уже рассматривали выше, в тех
разделах, где касались общих проблем и вопросов калибровки
измерительных цепей для регистрации частичных разрядов.
Всем сейчас сказанным мы просто напомнили, что вопрос
выбора калибровочного генератора является очень важным,
особенно с методической точки зрения.
Для проведения калибровки схем измерения частичных
разрядов в трансформаторном оборудовании, использующих
«контактные электромагнитные датчики частичных разрядов»,
«С-Sensors» (Contact Electromagnetic Sensor), а такими являются
высокочастотные трансформаторы тока и конденсаторы связи,
необходимо выбирать калибровочный генератор, импульсы
которого имеют частоту около 5—10 МГц. Еще раз напомним,
что частота импульса калибровочного генератора обратно про-
порциональна удвоенному времени длительности импульса.
F = 1 / (2 * Т)
Определять частоту импульса по длительности одного пика
неправильно, это только одна половина полного гармониче-
ского колебания.
Теперь перейдем непосредственно к калибровке цепей из-
мерения частичных разрядов в трансформаторном оборудо-
вании.
Калибровка схем измерения частичных разрядов в транс-
форматорах производится обычно подачей тестовых импульсов
на вводы первичной или вторичной обмотки трансформатора.
Для этого выход генератора подключается непосредственно к
верхней части ввода, куда подается высокое напряжение, вто-
рой провод от генератора, провод заземления, подключается к
корпусу трансформатора. Других мест, удобных для инжекти-
рования тестовых импульсов, в трансформаторе нет.
Пример калибровки схемы измерения частичных разрядов в
трансформаторе, выполняемой при помощи генератора GKI-2,
показан на рисунке 3.14.
Рис. 3.14. Калибровка схемы измерения
частичных разрядов в трансформаторах.
При проведении калибровки схемы измерения частичных
разрядов иногда возникает, на первый взгляд, странная си-
туация, когда не просто удается зарегистрировать реакцию
контролируемого оборудования на инжектируемый калибро-
вочный импульс. На выходе первичного датчика выходной
сигнал равен нулю, и кажется, что измерительную цепь вообще
нельзя откалибровать.
Причин этому может быть две. Это или очень большое за-
тухание высокочастотных импульсов в трансформаторе, или
же несоответствие параметров калибровочного импульса ча-
стотной характеристике используемого датчика частотных
разрядов.
Амплитуду калибровочных импульсов можно увеличить и
все же откалибровать измерительную цепь, превысить внутрен-
нее затухание внутри трансформатора. Но если имеет место
несовпадение частотных диапазонов генератора и датчика,
то откалибровать измерительную цепь не удастся. Об этом
необходимо помнить постоянно, особенно на этапе подбора
калибровочного генератора с определенными параметрами
тестового импульса, которые должны соответствовать пара-
метрам используемых датчиков частичных разрядов.
Представим, что нам удалось зарегистрировать калибро-
вочные импульсы на выходе наших датчиков. На первом эта-
пе, когда не все каналы откалиброваны, возможно, что будет
получено значение коэффициента перенаводки и меньше, и
больше единицы. Это, чаще всего, бывает из-за разной чув-
ствительности первичных датчиков. После приведения каналов
по чувствительности, т.е. после пересчета коэффициента пере-
наводки к размерности «рК/рК», коэффициенты перенаводки
должны быть меньше единицы. Если этого не получается, это
значит, что калибровку необходимо повторить заново, до-
биваясь необходимой точности получаемых коэффициентов
влияния.
Даже после того, как проведены все необходимые измере-
ния частичных разрядов в трансформаторе, и даже выполнен
анализ распределения разрядов, определен тип дефектов в обо-
рудовании, иногда приходится проводить калибровку заново.
Причина этому всего одна, но она очень важна. Это необходи-
мо делать в том случае, когда частота наиболее информативных
частичных разрядов, зарегистрированных измерительным
прибором, отличается от частоты калибровочного генератора
в два и более раз.
Мы не утверждаем, что это делать абсолютно необходимо,
но мы говорим, что если этого не делать, то при проведении из-
мерений частичных разрядов можно получить очень большую
амплитудную погрешность. Допустимость такой погрешности
решается практическим специалистом «на месте», исходя из
целевой функции проводимого обследования технического
состояния высоковольтного оборудования.
Если же проводятся периодические обследования обору-
дования, особенно когда используется система мониторинга,
процедура калибровки должна проводиться однократно, или,
как минимум, каждый раз при использовании калибровоч-
ных импульсов, имеющих одинаковые параметры при всех
проводимых калибровках. Иначе получаемые данные нельзя
будет использовать для построения временных трендов и иных
зависимостей. Смысл этого заключения достаточно прост
— будет лучше, если методическая ошибка, возникающая за
счет использования калибровочных импульсов с некоторыми
частотными параметрами, всегда будет одинаковой и посто-
янной.
Если пользователь предполагает, при дальнейших изме-
рениях частичных разрядов в трансформаторе использовать
для отстройки от помеховых сигналов разборку импульсов по
амплитуде, то в процессе калибровки схемы необходимо также
определить параметры матрицы перенаводки импульсов.
Делается это следующим образом. Тестовый импульс от
генератора подается поочередно во все ввода трансформатора.
Регистрация сигналов производится по всем каналам прибора,
к которым подключены первичные датчики частичных разря-
дов. Для того датчика, в зону которого импульс инжектируется,
определяется чувствительность измерительного канала. Для
всех остальных каналов определяется коэффициент затухания,
равный отношению сигнала на входе дополнительного канала,
по отношению к амплитуде входного сигнала калибруемого
канала.
Пример. Если калибруется канал «С», как это показано на
рисунке 3.14., то коэффициент перенаводки на канал «с», сто-
рона НН, равняется отношению амплитуды ULV к амплитуде
UHV. Все амплитуды берутся в милливольтах, поэтому вели-
чина коэффициента перенаводки измеряется в относительных
единицах. Аналогично считается коэффициент перенаводки
для всех других каналов измерительной схемы. Далее тесто-
вый генератор переключается на другую фазу, и все операции
повторяются.
Еще раз напомним, что наиболее точно измерительную
схему можно откалибровать при использовании датчиков ча-
стичных разрядов типа «С-Scnsors». Только при их использова-
нии возможно получение наиболее достоверных качественных
результатов, определяющих техническое состояние изоляции
трансформаторов. При использовании датчиков других ти-
пов процедура калибровки измерительных схем для транс-
форматорного оборудования очень затруднена методически
и технически. Реально рассуждая, можно говорить, что она
практически невозможна.
3.2. Измерение частичных разрядов
в трансформаторном оборудовании
при помощи акустических датчиков
Акустическая регистрация разрядных процессов внутри
трансформатора, вероятнее всего, исторически была первым
диагностическим методом, применяемым для контроля раз-
рядных процессов в высоковольтной изоляции, особенно за-
крытого маслонаполненного оборудования. Это обусловлено
тем, что природа наградила человека совершенным акусти-
ческим прибором — ухом. Плюс к этому каждый человек от
рождения обладает «встроенной» адаптивной экспертной диа-
гностической системой — человеческим мозгом, способным
выполнять сложнейшие аналитические операции, выделяя из
множества шумов необходимую акустическую информацию,
проводя локацию места возникновения сигнала и т.д.
По этой причине понятно, почему человек, желая форма-
лизовать процедуру акустической диагностики состояния
высоковольтной изоляции, расширяя ее возможности, затратил
много энергии и средств, создавая различные измерительные
приборы и совершенствуя методы акустической диагностики
разрядных процессов внутри бака трансформатора.
В данном разделе мы кратко рассмотрим эти достижения.
Напомним, что эти измерения относятся к бесконтактным
измерениям в «электрическом понимании процесса установки
датчиков». Даже если мы будем монтировать датчик непо-
средственно на баке трансформатора, электрически мы его не
будем подключать к цепям контролируемого трансформатора,
он изолирован, не имеет электрического контакта, он не может
повлиять на контролируемую электрическую цепь. Акустиче-
ский датчик — это всегда бесконтактный «А-Sensor» (Acoustics
Sensor) — гальванически и электромагнитно не связанный с
электрическими цепями контролируемого объекта.
Начнем с анализа основных достоинств и недостатков аку-
стических методов и средств, используемых для контроля раз-
рядов внутри маслонаполненного оборудования.
Всегда интереснее начинать с рассмотрения достоинств
применения того или иного метода регистрации частичных
разрядов. Их у акустического метода диагностики состояния
изоляции несколько.
Во-первых, это конечно простота и физическая понятность
данного метода. Она имеет два аспекта. С одной стороны, это
сравнительная дешевизна технических средств, изготовление
которых не вызывает больших трудностей даже у «начинаю-
щих» фирм, не обладающих большим опытом производства
сложных приборов и систем. При существующем развитии
систем звукозаписи такой прибор, например, может состо-
ять всего из нескольких универсальных и легкодоступных
микросхем.
С другой стороны, что, наверное, важнее, это простота при-
менения этих технических средств. Для того чтобы обследовать
трансформатор акустическим методом, его не нужно отключать
от сети, не нужно готовить и монтировать специализирован-
ные датчики на трансформаторе заранее. Один универсальный
датчик можно последовательно по мере необходимости просто
перемещать по поверхности бака трансформатора и регистри-
ровать акустическую активность в разных точках бака. Имен-
но такой подход к регистрации частичных разрядов широко
пропагандируют некоторые диагносты. Необходимо частично
согласиться с ними, при таком подходе возможно получение
полезной и пригодной к анализу информации.
Во-вторых, акустический метод контроля разрядных про-
цессов в баке трансформатора обладает уникальным диагно-
стическим свойством, он позволяет достаточно легко и бы-
стро локализовать место возникновения дефекта внутри бака
трансформатора. При этом в понятие локации вкладывается
его истинное толкование - это возможность определения гео-
метрических координат места внутри бака трансформатора,
где возник дефект. В других методах диагностики дефектов
изоляции трансформаторов, где также говорится о возмож-
ности локации мест возникновения дефектов внутри бака, под
локацией обычно понимается, в лучшем случае, определение
фазы трансформатора, в которой возник дефект, определение
обмотки (ВН или НН) и, наверное, больше ничего. Указать
же конкретное и точное место внутри бака трансформатора,
где возник и развивается дефект в изоляции, эти методы диа-
гностики не могут.
В-третьих, акустический метод регистрации частичных раз-
рядов позволяет, варьируя места установки датчиков, используя
различные аналоговые и цифровые фильтры и другие средства
математической обработки сигналов, достаточно эффективно
отстраиваться от помех электрической природы возникнове-
ния. Можно сказать, что акустическое измерение частичных
разрядов меньше подвержено влиянию электромагнитных
помех, как внутри трансформатора, так и извне его.
Теперь укажем основные недостатки акустического мето-
да диагностики частичных разрядов в трансформаторах. Их
тоже достаточно много, и влияние их на точность получаемых
результатов очень велико.
Во-первых, это важная методологическая проблема самого
акустического метода регистрации частичных разрядов — не-
предсказуемость пути движения акустического сигнала внутри
бака. Наличие внутри трансформатора сердечника, обмоток,
шунтов, вводов и других элементов конструкции достаточно
часто искривляет путь движения акустических импульсов
от места их возникновения до регистрирующего датчика. Не
всегда это «прямой» акустический сигнал, чаще всего он уже
претерпел отражения.
Во-вторых, это большое затухание импульсов внутри транс-
форматора, особенно внутри обмотки, что почти однозначно
вытекает из первого недостатка. Самым неприятным является
непредсказуемость процесса затухания акустического сигнала
внутри бака трансформатора.
Итогом влияния двух первых недостатков является то, что
реально дефект может диагностироваться акустическим датчиком
на поверхности бака трансформатора только на очень небольшом
участке, что значительно повышает трудоемкость процедуры
измерения. Приходится многократно переставлять датчик по
поверхности большого бака трансформатора с шагом 30—50 см.
В-третьих, акустический метод имеет различную чувстви-
тельность к разным типам дефектов в изоляции, он хорошо
регистрирует сигналы от одних типов дефектов в изоляции и
совсем «не видит» другие дефекты. Это обратная сторона хоро-
шей помехозащищенности акустического метода регистрации
частичных разрядов — возможность регистрации ограничен-
ного круга дефектов в изоляции.
В-четвертых, это большая сложность проведения калибров-
ки акустической измерительной схемы. Точнее сказать, это
практическая невозможность корректного проведения этой
важной процедуры, во многом определяющей оценку степени
развития диагностируемых дефектов.
Пользователю приходится использовать различные комби-
нированные схемы калибровки, чтобы хоть как-то более или
менее точно оценить реальные параметры регистрируемого
частичного разряда. Ввести акустический калиброванный (!)
источник внутрь трансформатора нереально, а инжектирован-
ные в обмотки трансформатора высокочастотные импульсы
от калибровочного генератора не дают акустического откли-
ка. Акустический сигнал внутри бака трансформатора дает
только сам частичный разряд, а не наведенный «кажущийся»
частичный разряд.
Тем не менее, несмотря на все указанные выше недостатки,
акустический метод регистрации частичных разрядов доста-
точно широко применяется на практике, есть большие эн-
тузиасты его внедрения, они имеют неплохие практические
результаты. Может, и среди наших читателей они найдут своих
последователей, ничего удивительного в этом не будет.
Для иллюстрации практического применения акустиче-
ского метода регистрации частичных разрядов рассмотрим
некоторые варианты его применения для трансформаторного
оборудования.
3.2.1. Регистрация акустических частичных разрядов
при помощи переносного одноканального прибора.
Это самый простой, интуитивно понятный и информатив-
ный способ. Для его реализации необходим в минимальной
конфигурации высокочастотный микрофон, обычно пье-
зоэлектрический, и электронный усилитель с индикатором
или наушниками на выходе усилителя. Акустический датчик
(микрофон) последовательно переставляется по поверхности
бака трансформатора, и производится оценка интенсивности
и частотных параметров акустических сигналов.
Для получения представительной информации измери-
тельный датчик должен работать в полосе частот от 20—30 до
150—300 кГц, в которой обычно производится регистрация.
Необходимо также применять меры по обеспечению хорошего
акустического датчика контакта с баком, для чего применяются
магниты и средства улучшения контакта, хорошо отработан-
ные в методе акустической эмиссии. Кстати, для регистра-
ции частичных разрядов чаще всего используют стандартные
датчики акустической эмиссии, они практически идеально
подходят для этих целей.
Шаг перестановки датчика от замера к замеру может быть
различным, но не должен превышать значение в 50 см для того,
чтобы не пропустить зону акустической активности на поверх-
ности бака трансформатора. Это значительно увеличивает
временные затраты на проведение процедуры акустической
диагностики, но так необходимо делать, чтобы не пропустить
зону возможного дефекта в изоляции трансформатора.
Более совершенные приборы регистрации акустических
сигналов, обладающие расширенными диагностическими
возможностями, позволяют также регистрировать форму
акустического сигнала, сохранять ее в памяти. Это дает три
неоспоримых плюса для диагностики частичных разрядов.
Во-первых, такие приборы позволяют анализировать вре-
менные и частотные параметры импульсов частичных раз-
рядов. Появляется возможность оперативно и корректно «на
месте» определять несколько новых параметров регистрируе-
мых высокочастотных импульсов, что, несомненно, расширяет
возможности проведения диагностики дефектов.
Во-вторых, это позволяет создавать архив измерений, что
позволяет проводить более углубленный анализ первичной
информации, сравнивать форму сигналов, анализировать
частотные параметры импульсов, строить тренды и т.д. По-
является возможность корректно и оперативно анализировать
изменения в степени развития контролируемого дефекта в
изоляции трансформатора.
В-третьих, это позволяет оперативно проводить акустиче-
скую диагностику сигналов, используя в качестве экспертной
системы человеческое ухо. Делается это следующим образом.
Сохраненный в памяти прибора акустический сигнал от ча-
стичного разряда, например, имеющий основную частоту коле-
баний в 100 кГц, переводится в частотную область, слышимую
ухом. Для этого он в цифровом виде синтезируется при помощи
ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) в низкочастотный
сигнал, для чего, например, частота преобразования снижается
в 20 раз. Банальным аналогом такого частотного преобразо-
вания высокочастотных сигналов является прослушивание
магнитофонной записи или виниловой пластинки со скоро-
стью, уменьшенной обычно в 20 раз.
В результате мы будем иметь модифицированный сигнал
импульса частичного разряда, основная частота которого
составит 5 кГц, а такие частоты человеческое ухо слышит и
анализирует прекрасно. Собрав библиотеку акустических
сигналов, синтезированных на пониженной частоте, можно
существенно расширить возможности диагностирования типов
дефектов в изоляции.
В заключение обзора необходимо сделать несколько заме-
чаний по дистанционному измерению частичных разрядов.
Эти замечания касаются практического применения однока-
нальных акустических приборов типа «ULTRAPROB». Они
предполагают измерение частичных разрядов при помощи уда-
ленного микрофона, работающего в диапазоне частот 20—100
кГц. Приборы аналогичного типа выпускают и многие другие
фирмы, например, фирмы «LDIC», «DIMRUS». Все эти приборы
фирмами-производителями анонсируются, кроме всего прочего
(поиск утечек, диагностика подшипников качения и т.д.), как
эффективные приборы для дистанционного измерения частич-
ных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования.
Это так и не так. Если вы определите при помощи такого из-
мерительного прибора дистанционно, что частичные разряды
в изоляции трансформатора имеют место, то это, скорее всего,
будет правильным диагностическим заключением. Если же вы
не найдете в изоляции оборудования импульсов частичных
разрядов, то заявлять о хорошем состоянии изоляции вы не
имеете права. Вполне вероятно, что дефекты в изоляции транс-
форматора есть, просто вы, используя акустический прибор,
не смогли зарегистрировать высокочастотные импульсы от
разрядов в изоляции. А это совсем другое диагностическое
заключение, имеющее большую неопределенность.
Объяснение такому заключению следующее. Акустический
метод, тем более при измерении удаленным микрофоном, име-
ет очень низкую чувствительность более чем к половине всех
возможных дефектов в высоковольтной изоляции. Перечень
таких дефектов не является однозначным, он зависит от типа
контролируемого оборудования. Некоторая, очень ограничен-
ная информация по этому вопросу, полученная при помощи
имитаторов дефектов, приведена в главе 2 данной работы. В
реальных трансформаторах дело обстоит еще хуже, чувстви-
тельность акустического метода, особенно с использованием
удаленного микрофона, много уступает другим методам из-
мерения частичных разрядов, причем не на проценты, а в разы,
в десятки и сотни раз.
Все это, перечисленное выше, конечно, является большими
недостатками метода акустической регистрации частичных
разрядов и препятствует его широкому применению. Тем не
менее, такие два важных достоинства, как дешевизна техни-
ческих средств и простота применения и понимания резуль-
татов регистрации, все равно приводят к тому, что данный
метод и использующие его одноканальные измерительные
приборы всегда найдут определенное применение в практи-
ческой диагностике частичных разрядов в трансформаторах.
Так дело обстоит сейчас, есть специалисты, которые считают,
что этот метод будет занимать и в будущем все большую нишу.
Рассмотрение этого вопроса выходит за пределы нашей мето-
дологической работы.
3.2.2. Локация места возникновения разрядов.
Следующим шагом развития акустического метода ре-
гистрации частичных разрядов явились разработка и прак-
тическое использование многоканальных, синхронно реги-
стрирующих измерительных приборов. Преимущества таких
современных приборов вполне очевидны, наибольшим из
них является возможность одновременного измерения аку-
стических сигналов в нескольких точках контролируемого
оборудования. Недостатком применения многоканальных
приборов является естественное увеличение общей стоимости
диагностического оборудования, что, на наш взгляд, с избыт-
ком компенсируется появлением у диагноста новых методи-
ческих возможностей.
Увеличение количества точек измерения акустических сиг-
налов на поверхности бака трансформатора, что важно для
трансформаторов, может производиться двумя способами.
Наиболее просто это сделать, используя некий входной ком-
мутатор первичных датчиков, при помощи которого к одному
измерительному каналу прибора последовательно подклю-
чаются несколько акустических датчиков, установленные в
разных точках бака контролируемого трансформатора.
Общее количество акустических датчиков, которое может
быть подключено к одному измерительному прибору, может
достигать нескольких десятков или даже сотен, что зависит
от возможностей коммутатора и целевого назначения много-
канального прибора. По своим встроенным функциям реги-
страции и анализа импульсных сигналов, реализованным в из-
мерительном канале, они не имеют особо заметных отличий от
обычных одноканальных приборов. Можно сказать, остались
те же недостатки, но стало чуть меньше достоинств, исчезает
простота и дешевизна измерительного оборудования.
Более сложным является многоканальный измерительный
прибор, который состоит из нескольких, параллельно вклю-
ченных измерительных каналов, к каждому из которых «одно-
значно» подключен «свой» акустический датчик. Количество
каналов в таких приборах обычно ограничивается четырьмя,
очень редко достигает восьми, это связано с техническими,
точнее говоря, со стоимостными ограничениями.
Достоинством таких «параллельно многоканальных» при-
боров является возможность синхронной, т.е. одновременной
регистрации сигналов по всем каналам. Недостатком является
увеличенная стоимость прибора, «приведенная на один ка-
нал», по сравнению с многоканальным прибором, имеющим
на входе коммутатор.
Однако увеличение стоимости прибора «с запасом» окупает-
ся, благодаря появлению новых диагностических свойств, они
позволяют реализовывать новые диагностические функции.
Все эти функции определяются именно возможностью син-
хронной регистрации акустических сигналов от нескольких
датчиков на баке трансформатора. При этом наиболее важным,
методически «новым» диагностическим параметром является
разница во времени прихода акустического импульса к разным
точкам контролируемого трансформатора, к разным датчикам
(каналам) прибора.
Это связано с особенностями распространения акусти-
ческих высокочастотных импульсов от частичного разряда
внутри трансформатора. К датчикам, установленным на разном
расстоянии от места возникновения дефекта, акустический
сигнал приходит через различные интервалы времени. Полное
время движения акустического сигнала от места возникно-
вения до места установки датчика определяется скоростью
движения акустической волны в жидкости, деленной на рас-
стояние от дефекта до датчика, естественно, по пути движения
акустической волны.
При использовании такой акустической модификации ме-
тода «time of arrival» следует понимать, что длина соединитель-
ных кабелей от первичных датчиков до прибора практически
не оказывает влияния на точность проводимых измерений. В
«обычном» методе контроля времени прихода импульса ско-
рость движения электромагнитной волны внутри объекта и
по соединительным кабелям является примерно одинаковой,
и длины кабелей приходится учитывать.
В акустическом же методе контроля времени прихода им-
пульсов от акустических датчиков скорость движения акусти-
ческой волны внутри объекта в десятки тысяч раз меньше, чем
скорость движения электромагнитной волны в сигнальных
кабелях. По этой причине их длина не оказывает никакого
практического влияния на точность определения временных
параметров нескольких акустических импульсов.
Основная цель проведения многоканальных синхронных
измерений акустических импульсов - определение координат
места возникновения дефекта внутри бака маслонаполненного
оборудования. Скорость распределения акустических волн
внутри маслонаполненной среды принимается равной при-
мерно 1500 метров в секунду. Эта скорость, конечно, зависит
от некоторых физических параметров среды распространения
акустических сигналов, но эта зависимость для нас малозна-
чима. Выбранное значение скорости движения импульсов
внутри бака трансформатора позволяет получать координаты
места возникновения дефекта изоляции внутри бака транс-
форматора с практически приемлемой для проводимой диа-
гностики точностью.
Если акустические датчики многоканального измеритель-
ного прибора расположить в линию, например, вдоль одной
фазы элегазовой подстанции или вдоль шинопровода, то зна-
ние разновременности времени прихода импульсов от разных
датчиков позволит уточнить место возникновения дефектов
в изоляции этого оборудования. Это также может быть по-
лезно при проведении диагностических работ с таким обо-
рудованием.
В данный момент для нас главным является проведение
локации мест возникновения дефектов внутри трансформа-
торного оборудования, поэтому рассмотрим подробнее этот
вопрос.
На рисунке 3.15. приведены графики временного изменения
сигналов от четырех акустических датчиков, которые были
синхронно зарегистрированы на баке трехфазного силового
трансформатора в четырех различных точках.
Wtial signal #1
Infcal signal #2
initial signal #3
Intel signal #4
Рис. 3.15. Акустические сигналы с бака трансформатора,
синхронно зарегистрированные четырьмя датчиками.
Данная акустическая диагностика локации метода возник-
новения дефекта в изоляции по частичным разрядам проводи-
лась на третьем, последнем, этапе проведения целого комплек-
са диагностических работ. Расскажем об этом практическом
случае приложения метода локации немного подробнее.
Эксплуатационным персоналом энергетического пред-
приятия были выявлены повышенные концентрации не-
скольких газов в масле трансформатора, введенном в работу
после капитального ремонта. На основании анализа состава
растворенных газов было принято решение, что это измене-
ние газового состава произошло из-за появления внутри бака
трансформатора частичных разрядов.
На первом этапе проведения диагностических работ были
выполнены измерения частичных разрядов при помощи
контактных электрических датчиков, т.е. при помощи высо-
кочастотных трансформаторов тока типа RFCT и датчиков
типа DB-2, устанавливаемых на ПИН высоковольтных вводов
трансформатора. Анализ зарегистрированных частичных раз-
рядов показал, что они имеют «опасный» для трансформатора
уровень.
Далее, на втором этапе диагностических исследований,
были выполнены аналитические работы по определению типа
возникшего дефекта, которые показали, что разряды вызваны
дефектом типа «плавающий потенциал», который, чаще всего,
не опасен для маслонаполненного оборудования. Степень опас-
ности этого дефекта зависит от места его возникновения. Поэ-
тому было принято решение провести акустическую локацию
места возникновения дефекта, чтобы принять окончательное
решение или о немедленном выводе контролируемого транс-
форматора из работы, или же о возможности его дальнейшей
нормальной эксплуатации.
Были проведены работы третьего этапа диагностических
работ, целью которых была попытка локализовать место воз-
никновения дефекта внутри бака трансформатора, что явилось
бы основным фактором для принятия решения. Для этих целей
было предложено использовать чстырехканальный прибор
«AR700» для синхронной регистрации частичных разрядов при
помощи акустических датчиков, монтируемых на поверхности
бака трансформатора при помощи постоянных магнитов.
На первом этапе акустических исследований для системно-
сти получаемой информации были проведены полные акусти-
ческие обследования бака трансформатора при помощи одного
акустического датчика с целью определения зоны акустической
активности. Это обследование выявило наличие акустических
частичных разрядов только в одной зоне размером 0,4 на 0,6
метра, в нижней части бака трансформатора.
В этой зоне были установлены при помощи постоянных
магнитов четыре акустических датчика. Проведенная при по-
мощи этих датчиков локация подтвердила наличие частичных
разрядов и указала на конкретную точку внутри бака. Ана-
лиз конструкторской документации показал, что в этой точке
внутри трансформатора имеются две технические особенно-
сти. Во-первых, здесь в бак входит масло после охладителя и
маслонасоса, причем достаточно сильной струей. Во-вторых,
здесь располагается гибкая шина, которая заземляет элементы
сердечника трансформатора на корпус бака.
По информации персонала, эта шина была повреждена в
момент вскрытия трансформатора и, может быть, имеет дефек-
ты крепления в настоящее время. Сама конструкция шины
допускает появление дефектов типа «плавающий потенциал»,
т.е. наличие конструктивных металлических элементов, не
связанных гальванически с баком трансформатора или другим
внутренним потенциалом.
Стало понятно, что регистрируемые частичные разряды
возникают не в главной изоляции трансформатора, а в эле-
ментах конструкции сердечника трансформатора. На основа-
нии этого было принято решение продолжить эксплуатацию
трансформатора без проведения ремонтных работ. Получен-
ная впоследствии информация о нормальной эксплуатации
трансформатора в течение последующих двух лет подтвердила
правильность принятого решения.
Мы достаточно подробно описали процедуру проведения
диагностики в данном конкретном случае, чтобы подтвердить
полезность использования метода многоканальной акустиче-
ской локации для диагностики мест возникновения дефектов
внутри маслонаполненного оборудования.
Сфера применения многоканальных приборов регистрации
акустических частичных разрядов, работающих в синхронном
режиме, существенно шире, чем описываем мы. Все определя-
ется целевой функцией проводимых диагностических работ.
Эффективности применения таких приборов способствует
использование в них пятого измерительного канала, к которо-
му подключается «электрический» датчик частичных разрядов.
Принцип использования этого датчика прост. Акустический
датчик может зарегистрировать сигнал от частичного разря-
да только в течение некоторого времени, после регистрации
частичного разряда «электрическим датчиком». Это время
максимально равняется максимальному времени пролета аку-
стического сигнала через трансформатор в максимальном его
измерении. Иными словами, каждому акустическому сигналу
в трансформаторе всегда должен предшествовать «электриче-
ский» сигнал.
Использование дополнительного канала повышает до-
стоверность работы прибора, повышает его помехозащищен-
ность.
3.2.3. Мониторинг частичных разрядов при помощи
акустических датчиков.
Основное назначение любой системы измерения частичных
разрядов — не проведение разовых измерений в «пожарном» по-
рядке, а организация мониторинга состояния высоковольтной
изоляции. Это автоматически вытекает из целевой функции
любой диагностической системы — выявлении возникающих
дефектов высоковольтной изоляции на самых ранних стадиях
их развития. Чем раньше будет выявлен дефект и выявлена
реальная скорость его развития, тем более эффективной яв-
ляется система мониторинга.
Функции защиты и блокировки на системы диагностики
дефектов в изоляции, пусть даже и системы мониторинга, воз-
лагаются крайне редко. Причина этого проста — чаще всего
методы диагностики не позволяют выявлять опасные измене-
ния параметров в режиме реального времени. Время обработки
первичной информации обычно значительно больше, чем
время развития дефекта до опасного состояния.
Максимальный экономический эффект переносные при-
боры регистрации акустических сигналов дают в случае их
использования в системах периодического мониторинга. Под
периодическим мониторингом понимается проведение измере-
ний акустической активности переносными приборами через
определенные интервалы времени. В этом случае обеспечи-
вается наиболее достоверная оценка текущего технического
состояния изоляции, в особенности, наличие изменений в
состоянии изоляции. Для проведения таких измерений обычно
достаточно простого одноканального прибора с памятью, в
котором можно сохранить большое количество замеров.
Стационарный, или непрерывный мониторинг частичных
разрядов в трансформаторном оборудовании, использующий
акустические датчики, применяется на практике достаточно
редко. Это обусловлено тем, что для обеспечения защиты всего
трансформатора необходимо установить на поверхности бака
трансформатора очень большое количество датчиков. Это
обусловлено малой зоной, контролируемой одним датчиком,
что достаточно подробно описано чуть выше.
Реально непрерывный акустический мониторинг частич-
ных разрядов в трансформаторном оборудовании на практике
применяется в двух случаях. Это производится или в соста-
ве комплексных систем непрерывного мониторинга транс-
форматорного оборудования как дополнительная функция,
или же для контроля акустической активности в наиболее
ответственном, критическом высоковольтном оборудовании,
когда вопрос о стоимости системы мониторинга не является
основным. И тот, и другой случаи на практике встречаются
достаточно редко.
3.3. Контроль частичных разрядов в изоляции
трансформаторов при помощи датчиков
электромагнитного поля
Всем известный факт, что импульсы от частичных разрядов
препятствуют качественному приему радио- и телевизион-
ных сигналов, создают активные помехи на большой площади
вокруг дефекта в изоляции, также нашел свое отражение в
практике диагностики состояния изоляции высоковольтных
трансформаторов.
Регистрация импульсов частичных разрядов «через эфир»
находит все большее практическое применение для контроля
высоковольтной изоляции, особенно для трансформаторно-
го оборудования. Способов регистрации электромагнитных
импульсов достаточно много, включая самые экзотические.
Например, автор знаком со специалистами, которые оцени-
вают состояние изоляции высоковольтного оборудования при
помощи простых переносных радиоприемников, работающих
в длинноволновом и средневолновом диапазонах частот, и
делают это очень эффективно. Для таких исследований раз-
рядная активность определяется уровнем помех, возникающих
при приеме радиосигналов. Интересно, что по наблюдениям
этих специалистов, разные дефекты в различном оборудова-
нии имеют различный спектр излучения, дают максимальную
активность на определенных частотах.
Регистрация электромагнитного излучения от частичных
разрядов, если говорить об этом вопросе серьезно, обычно
производится в диапазоне частот от 0,1 до 3,0 ГГц, т.е. в UHF
(СВЧ)-диапазоне. Реально измерение частичных разрядов
производится в более узком диапазоне частот, от 0,4 до 1,5
МГц. В качестве датчиков высокочастотных импульсов в этом
методе контроля состояния изоляции используются антенны
различных типов. Эти измерительные антенны отличаются
большим конструктивным разнообразием, они бывают на-
правленные и ненаправленные, широкополосные и узкополос-
ные, встроенные внутрь оборудования или смонтированные
снаружи и т.д.
Аналогично можно говорить о разнообразии технических
средств регистрации импульсов частичных разрядов при
помощи электромагнитных антенн. Такие приборы могут
работать в узком или широком диапазоне частот, измерять
общую величину мощности сигнала или только мощность
импульсов. Регистрация импульсов частичных разрядов в
таких приборах может проводиться с использованием АЦП
или пик-детекторов, непрерывно или периодически, по одному
каналу или синхронно по нескольким каналам сразу. Уста-
новившихся стандартов в этом вопросе нет, каждая фирма
производит свою специфическую продукцию в соответствии
с собственной методологией.
Так же, как и при описании других методов регистрации ча-
стичных разрядов в трансформаторном оборудовании, кратко
рассмотрим основные, наиболее известные схемы и способы
измерения электромагнитного излучения от частичных раз-
рядов в изоляции трансформаторов. При этом максимальное
внимание будем уделять достоинствам и недостаткам различ-
ных технических решений.
3.3.1. Измерение частичных разрядов
в UHF-диапазоне частот при помощи
переносных одноканальных приборов.
Как и для всех других методов регистрации частичных раз-
рядов, наиболее простым техническим средством для реги-
страции электромагнитного излучения от частичных разрядов
является переносный одноканальный прибор с универсаль-
ным датчиком — антенной. В данном случае простота прибора
является кажущейся, относительной. Он является сложным
техническим решением, имеющим массу настроек, вариантов
работы, часто обладающим памятью большого объема для
хранения первичной и уже обработанной информации о ча-
стичных разрядах в контролируемом оборудовании.
Выбор такого переносного оборудования на современном
рынке средств диагностики состояния изоляции постоянно
расширяется. Измерительные приборы такого типа имеются
в производственной программе многих фирм, производящих
диагностическое оборудование для измерения частичных раз-
рядов.
В качестве измерительного прибора, работающего в UHF-
диапазоне частот, можно даже использовать стандартные изме-
рители интенсивности электромагнитного излучения, которые
производятся для других целей. Обычное назначение таких
приборов — оценка интенсивности излучения в конкретном
месте, проводимая с технической или санитарно-технической
целью. Это, конечно, не совсем то, что нужно для регистрации
электромагнитного излучения от частичных разрядов, но это
тоже возможное техническое решение «на первый случай».
На описании электромагнитных антенн мы также не бу-
дем останавливаться, их существует большое разнообразие,
от простейшей «ненаправленной» штыревой антенны и до
сложных многоэлементных конструкций. Выбор приемной
антенны также зависит от целевой функции диагностики и
особенностей проведения измерений электромагнитного из-
лучения от частичных разрядов, возникающих в конкретном
оборудовании.
Для справки также напомним, что в соответствии с ранее
принятой классификацией все антенны относятся к категории
«NC-Sensors», т.е. к бесконтактным датчикам. Антенна, нахо-
дящаяся на «правильном» удалении от контролируемого объ-
екта, в данном случае от трансформатора, не может повлиять
на процессы, в нем происходящие, а тем более причинить ему
какой-либо вред. Она не касается его электрических цепей, и
это имеет очень большое практическое значение. Нам не нужно
создавать вокруг нашего датчика сложные изоляционные си-
стемы, препятствующие повреждению датчика и поражению
персонала высоким потенциалом.
Методика проведения измерений частичных разрядов од-
ноканальным переносным прибором при помощи электро-
магнитной антенны предельна проста. Варьироваться может
только место установки антенны, исходя из удобства и бли-
зости к контролируемой точке оборудования. Чем ближе мы
сможем безопасно приблизить антенну к контролируемому
оборудованию, тем информативнее будет сам сигнал, и тем
меньше в нем будет вредных помех. Для этого можно изменять
место измерения, направление антенны, частотный диапазон
проведения измерений и т.д.
Это обычная практическая ситуация, когда от квалифика-
ции диагноста полностью зависит достоверность получаемых
результатов. Это связано как с объемом практического опыта
диагноста, так и с его знанием особенностей конструкции диа-
гностируемого оборудования, чем больше опыта, тем лучше.
Основное внимание в данном разделе мы уделим анализу
зарегистрированной информации, рассмотрим наиболее эф-
фективные способы выделения из всего многообразия элек-
тромагнитных высокочастотных импульсов, окружающих
нас, импульсов, возникших от частичных разрядов, которые
в наибольшей мере интересуют нас.
На рисунке 3.16. показано, в качестве примера, распреде-
ление мощности электромагнитного излучения по частоте,
зарегистрированное переносным измерительным прибором
вблизи высоковольтного силового трансформатора.
Читатель, может быть, уже заметил, что мы еще никак не
касались важного методического вопроса, а в каких же физи-
ческих единицах предпочтительно измерять электромагнитное
Рис. 3.16. Амплитудно-частотное распределение
электромагнитного излучения по частоте.
излучение от частичных разрядов. Как обычно, в этом вопросе
много вариантов. Частично мы будем касаться этого вопроса
ниже, хотя полной ясности и понятности в нем нет даже для
нас. Эти вопросы еще ждут своих исследователей. Пока же при
анализе электромагнитного излучения от частичных разря-
дов в UHF-диапазоне частот преобладает простое правило: в
каких бы единицах мы не проводили измерения, анализ идет
от значения максимальной амплитуды в зарегистрированном
импульсе.
Из приведенного рисунка 3.16. хорошо видно, что в заре-
гистрированном сигнале на разных частотах достаточно мно-
го пиков сравнительно большой амплитуды. Для нас самым
важным является то, что из этих пиков более 90%, а иногда и
все 100%, являются сигналами внешних помех. Основу боль-
шинства этих помех создают сигналы от радиопередатчиков
различного назначения. Чаще всего это обычные телевизи-
онные сигналы, сигналы специальной радиосвязи, сотовая
связь, сигналы от систем телемеханики. Очевидно, что ис-
пользовать такую «замусоренную» информацию без исполь-
зования специальных средств «очистки от помех» практически
невозможно.
На практике существует несколько практических, доста-
точно эффективных способов отстройки от высокочастотных
помех, зарегистрированных измерительным прибором в UHF-
диапазоне частот.
Во-первых, это проведение измерений электромагнитного
излучения в нескольких точках, на малом и большом удалении
от контролируемого оборудования. Данный метод применяется
в том случае, если измерительное оборудование оснащено не
направленной антенной, а простой штыревой антенной.
Например, проводятся два измерения электромагнитного
излучения во всем диапазоне частот, рядом с контролируемым
трансформатором и на удалении 100 метров от него. Получен-
ные распределения электромагнитного излучения сравни-
ваются друг с другом. В самом простейшем случае произво-
дится вычитание одного графика из другого. При всех прочих
равных условиях наличие какого-либо пика на амплитудно-
частотной характеристике, зарегистрированной рядом с транс-
форматором, по сравнению с аналогичной характеристикой,
зарегистрированной на удалении от контролируемого транс-
форматора, чаще всего будет говорить о наличии источника
излучения высокочастотных импульсов, расположенного вну-
три контролируемого трансформатора.
Данный метод отстройки от помех не требует специальной
подготовки, позволяет использовать наиболее простое и деше-
вое измерительное оборудование. Недостатками метода явля-
ются: низкая пространственная селективность и вероятность
появления ошибки за счет разновременности регистрации
основного и опорного, амплитудно-частотного распределений.
Мы ведь будем производить измерения электромагнитного
излучения в двух пространственных точках подстанции в два
различных момента времени. Полной уверенности в том, что
все регистрируемые нами высокочастотные сигналы помехи
являются стационарными, у нас не будет.
Во втором способе отстройки от помех основным является
использование диагностического оборудования, оснащенного
направленной антенной. В остальном этот способ очень по-
хож на способ, описанный выше. Только в нем в дополнение
к «перемене мест» проведения измерений используется еще и
изменение направления антенны. Основными вариациями
при проведении измерений является «направление на объект
контроля» и направление «в сторону от объекта контроля».
Два измерения сравниваются между собой, и выявляются
частотные зоны, в которых излучение идет изнутри контро-
лируемого трансформатора.
Данный метод является более совершенным, позволяет
получать лучшие результаты. Если при этом производится
синхронная регистрация сигналов в направлении «на объект
контроля» и «не на него», то достоверность проведения измере-
ний получается достаточно высокая. Оптимальным вариантом
такого измерительного прибора является наличие в нем двух
одинаковых измерительных каналов, один для подключения
направленной антенны, а другой для подключения штыревой,
ненаправленной антенны. При направлении первой антенны
на трансформатор и синхронной регистрации по двум кана-
лам достоверность получаемой информации может достигать
70—80%, что является очень высоким показателем.
Третий метод отстройки от помех базируется на сравнении
мощности (СКЗ) сигнала и пиковых значений в нем. Частичные
разряды будут только в тех полосах частот, где имеет малое зна-
чение СКЗ (мощности сигнала) и импульсные пики с высокой
амплитудой. Естественно, что данный метод может работать
только при использовании сканирования всего UHF-диапазона
частот узкими полосами. Только в этом случае возможно по-
лучение приемлемой по точности информации. Данный метод
отстройки от помех чаще всего дополняет предыдущие методы.
В наибольшей мере он подходит для устранения влияния на
процесс измерения частичных разрядов сигналов от радио-
передатчиков.
Наиболее эффективным и универсальным способом от-
стройки от помех в UHF-диапазоне частот является четвертый
метод, базирующийся на «прямом» разделении периодиче-
ских и импульсных сигналов. Иными словами, этот метод
базируется на анализе формы высокочастотных импульсов,
который проводится в режиме реального времени на аппа-
ратном уровне.
Данный метод аппаратно работает при помощи набора
компараторов и пик-детекторов в режиме реального времени,
когда каждый импульс автоматически проверяется на соот-
ветствие некоторым параметрам формы. В это понятие вхо-
дит и контроль наличия в регистрируемом сигнале несущей
частоты, что соответствует сигналам передающих радио- и
телевизионных станций. После отработки всех заложенных в
приборе алгоритмов проверки принимается решение об «ис-
тинности» зарегистрированного импульса или о признании
его сигналом помехи.
Вариацией использования данного метода отстройки от
помех является анализ временных и частотных свойств ре-
гистрируемых импульсов на алгоритмическом уровне. Для
реализации этого метода необходимо иметь оцифрованный
сигнал, получение которого затруднено высокой частотой
UHF-сигнала, что требует использования быстрых и, соот-
ветственно, дорогих АЦП.
Чтобы избежать этого (вариант метода), проводится сложное
аппаратное преобразование каждого импульса, в результате
чего он аппаратно переводится в сравнительно низкочастотную
зону, где возможно использование достаточно «рядовых» по
своим свойствам «низкочастотных» АЦП. После такого ча-
стотного преобразования сигнала и перевода его в цифровую
форму все становится существенно проще. Можно анализ
формы зарегистрированного импульса проводить уже в алго-
ритмическом виде после проведения процедуры регистрации.
Возможность такого анализа «в любой момент времени» суще-
ствен но повышает возможности использования и адаптации
диагностических правил и алгоритмов, используемых в раз-
личных экспертных диагностических системах.
3.3.2. Измерение частичных разрядов
в трансформаторах, проводимое
в UHF-диапазоне частот при помощи
стационарных датчиков.
При описании каждого метода регистрации частичных
разрядов мы всегда стараемся так или иначе дать минимально
необходимую информацию по трем основополагающим во-
просам, касающимся применения данного метода.
Это:
- Особенности первичных датчиков, применяемых в данном
методе, принцип их действия, способы установки на обору-
довании.
- Технические средства регистрации импульсов частичных
разрядов. Варианты изготовления технических средств, до-
стоинства и недостатки.
- Особенности обработки и анализа первичной информа-
ции, т.е. технология применения данного диагностического
метода. Преимущества и недостатки данного метода измерения
частичных разрядов в изоляции конкретного типа высоко-
вольтного оборудования.
Такую же информацию мы попытаемся дать и по систе-
мам стационарного контроля частичных разрядов в изоляции
трансформаторов, использующих регистрацию высокочастот-
ных импульсов в UHF-диапазоне частот.
Основным отличием проведения стационарного монито-
ринга в UHF-диапазоне частот от использования периодиче-
ского мониторинга, который производится с использованием
переносных приборов, является применение специализиро-
ванных, можно сказать, уникальных, стационарных датчиков
частичных разрядов. В остальном переход от периодических
измерений частичных разрядов на постоянный мониторинг
не имеет больших идеологических различий. Аналогичным
образом производится отстройка от помех, так же производит-
ся оценка технического состояния, проводится диагностика
дефектов.
Понятно, что стационарно установленный датчик частич-
ных разрядов может быть использован не только в системах
непрерывного мониторинга, но и при проведении периодиче-
ского мониторинга, выполняемого с использованием перенос-
ных приборов. Однако не это сейчас является для нас наиболее
важным вопросом, а то, какие типы датчики UHF-диапазона
и как можно устанавливать стационарно на трансформаторах.
Именно на этот вопрос мы попытаемся ответить.
Уже не раз отмечалось выше, что основными датчиками для
регистрации электромагнитного излучения в UHF-диапазоне
частот являются антенны различного вида. Применительно к
регистрации электромагнитных импульсов в трансформатор-
ном оборудовании нужно сказать, что встроенные внутрь бака
трансформатора антенны, если это удается сделать, являются
почти идеальными датчиками. Применение их именно в транс-
форматорах сразу же дает два огромных преимущества.
Во-первых, при монтаже внутри бака первичные датчики
можно расположить очень близко к местам, где могут возникать
частичные разряды в изоляции. Это обеспечивает максимально
высокую чувствительность таких датчиков.
Во-вторых, металлический корпус бака контролируемого
трансформатора является естественным экраном, защищаю-
щим датчики от внешних электромагнитных помех. Практи-
чески все импульсы, регистрируемые антеннами, расположен-
ными внутри бака трансформатора, зародились в изоляции
трансформатора и являются информативными. Исключение
составляют лишь сильно ослабленные «внешние» высокоча-
стотные импульсы, просочившиеся внутрь бака трансформа-
тора через высоковольтные вводы.
Больших недостатков у встроенных в трансформатор UHF-
датчиков тоже два.
Наибольшим недостатком применения UHF-датчиков
является то, что монтаж таких датчиков сопровождается не-
обходимостью решения достаточно сложных технических
проблем. Основной из них является то, что в большинстве
трансформаторов не предусмотрены места для монтажа таких
датчиков. По этой причине приходится идти надостаточно
сложные технические решения, часто затрудняющие нор-
мальную эксплуатацию трансформаторов. Тем не менее, такую
установку датчиков производят, так как многое окупается
высокой информативностью такой регистрации частичных
разрядов в трансформаторном оборудовании.
Более простым техническим решением, с практической
точки зрения, является установка датчиков частичных раз-
рядов, работающих в UHF-диапазоне частот, на ПИН высоко-
вольтных вводов. Высокочастотные импульсы через емкость
ввода С1 будут попадать на ПИН, откуда будут сниматься при
помощи датчика, например, марки «DB-З» производства фирмы
«DIMRUS». Такой датчик может быть легко смонтирован на
вводе во время проведения ремонтных и регламентных работ. С
этой целью фирмой производится несколько конструктивных
модификаций датчика, предназначенных для вводов различ-
ных фирм-производителей вводов. Наличие в датчике защиты
от обрыва провода от датчика к прибору также повышает на-
дежность и безопасность работы системы мониторинга.
Дополнительным достоинством датчика марки «DB-З» яв-
ляется возможность измерения тангенса потерь в изоляции
ввода под рабочим напряжением. Для этого в выходном сигнале
должен присутствовать ток проводимости ввода, имеющий про-
мышленную частоту, и высокочастотные сигналы от частичных
разрядов, регистрируемые в UHF-диапазоне частот.
Мы напоминаем, что при монтаже UHF-датчика на ПИН
ввода ухудшаются условия защиты от помех. Датчик DB-3
одинаково успешно регистрирует импульсы изнутри трансфор-
матора и импульсы, поступающие в трансформатор снаружи.
Однако многое компенсируется простотой монтажа датчика
на ПИН ввода.
Вторым важным недостатком направленного UHF-датчика,
встроенного в бак трансформатора, является то, что мы выше
назвали его достоинством — направленность чувствитель-
ности. Антенна «видит» только то, что она «видит». Любые
отклонения движения импульса от прямой линии, любые
экранирования — и дефект «пропущен», а в трансформаторе
таких конструктивных экранов и «закутков» великое множе-
ство. Ценность диагностики от этого существенно падает.
Последние исследования показали, что импульсы от частич-
ных разрядов, возникших в глубине обмотки ВН, «снаружи»
обмотки электромагнитными антеннами не регистрируются
или регистрируются очень ослабленными. Это показывает, что
электромагнитные импульсы чрезвычайно сильно затухают
в обмотке, они экранируются слоями обмотки. Поскольку
такие исследования были проведены разработчиками данного
метода, им следует доверять.
Результат такого исследования можно интерпретировать
следующим образом. Импульс от частичного разряда, возник-
шего во внутренних слоях обмотки, нс всегда будет зарегистри-
рован снаружи. Если этот импульс и будет зарегистрирован,
то амплитуда его будет очень ослаблена. В результате проце-
дуры диагностики, проведенной по такому импульсу, будет
получено заключение о малой степени развития дефекта. И
в первом, и во втором случаях результаты диагностики будут
некорректными.
Такая отрицательная информация не дает поводов для пес-
симизма, в целом метод регистрации импульсов частичных
разрядов с использованием датчиков, вставленных внутрь
бака трансформатора, достаточно эффективен и полезен для
практики. А о том, что необходимо всегда использовать ком-
бинацию из нескольких методов диагностики, мы говорим
постоянно. Только при комплексном подходе можно повысить
достоверность проводимой диагностики состояния транс-
форматорного оборудования.
3.3.3. Использование радиочастотного метода
для локализации мест возникновения дефектов
в UHF-диапазоне частот.
В названии этого раздела мы специально использовали те
слова, которые применяют разработчики этого метода, фирма
«Elimpus», в его названии, хотя правильнее было бы этот метод
диагностики назвать несколько иначе. Этот метод работает на
основе многоканальной синхронной регистрации и специаль-
ной обработки сигналов частичных разрядов, реализованной в
UHF-диапазоне частот. Поэтому его лучше называть методом
пространственной локации мест возникновения частичных
разрядов в высоковольтном оборудовании, основанный на
использовании UHF-сигналов.
Обращаем внимание читателей на то, что мы не зря на-
зываем эту диагностическую систему локационной, больше
она ничего пока не может. Она может «сказать» пользователю,
Рис. 3.17. Принцип работы метода
пространственной локации дефектов
в изоляции высоковольтного
оборудования.
что частичные разряды
в изоляции контроли-
руемого оборудования
есть, она может даже
указать место, откуда
идет электромагнитное
излучение от частичных
разрядов, но это пока
все, что она может. Она
не может определить тип
дефекта в изоляции, не
может оценить степень
эго развития. Это систе-
ма индикаторного типа,
хотя предпосылки для ее дальнейшего развития и совершен-
ствования есть, и мы очень надеемся на это.
Принцип работы системы локации мест дефектов при по-
мощи UHF-датчиков иллюстрируется на рисунке 3.17. Электро-
магнитное излучение от дефекта в изоляции регистрируется в
UHF-диапазоне частот при помощи четырех ненаправленных
антенн. В качестве регистрирующего прибора авторы исполь-
зовали стандартный четырехканальный высокочастотный
осциллограф.
В основе метода, предназначенного для определения мест
возникновения дефектов в изоляции, лежит использование
разницы во времени прихода импульсов к каждому из четырех
датчиков. Такое количество первичных датчиков дает возмож-
ность определять направление прихода электромагнитных
импульсов к измерительной системе со всех четырех сторон,
независимо от направления.
Оригинальность данного метода локации мест возникно-
вения дефектов заключается в том, что он дает возможность
определять не только направление, откуда пришел высоко-
частотный UHF-импульс, но и расстояние до места возник-
новения дефекта. Это возможно за счет использования осцил-
лографа с высоким временным разрешением и с памятью, а
также использования специализированного программного
обеспечения.
Практически аналогично мы можем проводить диагностику
места возникновения дефекта внутри трансформатора при по-
мощи четырех акустических датчиков. Такой метод локации
мест возникновения дефектов описан в предыдущем разделе,
посвященном акустическим средствам измерения частичных
разрядов.
Теперь рассмотрим отличительные особенности прак-
тического применения этого метода измерения и локации,
основанного на регистрации и анализе частичных разрядов в
UHF-диапазоне частот.
Во-первых, данный метод может быть применен только для
диагностики состояния изоляции «открытого» оборудования.
Под этим термином мы будем понимать высоковольтное обо-
рудование, у которого нет экранирующих баков и корпусов.
При наличии внешнего экранирования импульс от частичного
разряда не может «выйти наружу» из оборудования и не может
быть зарегистрирован.
Таким образом, сфера применения данного метода диа-
гностики, работающего в UHF-диапазоне частот, достаточно
специфична, это различные измерительные трансформаторы
тока и напряжения, шины, подвесная и опорная изоляция
подстанций. Оборудование, для которого применение данного
метода невозможно или неэффективно, — различное маслона-
полненное и элегазовое оборудование. Причины таких предпо-
чтений и ограничений очевидны, и их можно не повторять.
Возник очевидный парадокс. В разделе, посвященном реги-
страции частичных разрядов в изоляции трансформаторного
оборудования, мы приводим описание диагностической систе-
мы, которая мало приспособлена для этих целей. Объяснение
здесь достаточно простое. В литературе имеется достаточное
количество ссылок, что данный метод регистрации частичных
разрядов применим для трансформаторов. Но он применим
только для регистрации частичных разрядов в измерительных
трансформаторах тока и напряжения. Для силовых маслона-
полненных трансформаторов, имеющих экранирующий бак,
этот метод не может быть эффективно использован. Это нужно
хорошо понимать и всегда помнить.
Существуют две модификации технических средств, реа-
лизующих этот метод локации мест возникновения дефектов,
хотя разница между ними заключается только в способе мон-
тажа первичных датчиков — антенн.
Передвижная система локации мест возникновения дефек-
тов состоит из четырех датчиков, смонтированных на кры-
ше автомобиля-фургона. Регистрирующий осциллограф и
персональный компьютер монтируются внутри автомобиля.
Такая конструкция позволяет оперативно переезжать между
подстанциями, а также и внутри подстанций, между объек-
тами контроля, проводя оперативную диагностику состояния
изоляции целого комплекса высоковольтного оборудования.
При помощи одной системы можно последовательно и перио-
дически контролировать несколько энергетических объектов
— подстанций.
Стационарная система локации мест возникновения дефек-
тов предполагает постоянную установку первичных датчиков
на одном объекте. Обычно их монтируют на специальных опо-
рах или на крышах технологических зданий, имеющихся на
территории подстанций, и других энергетических объектов.
Такая система позволяет контролировать состояние всего обо-
рудования объекта за некоторым исключением, которое мы
достаточно подробно рассмотрели выше.
4. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЯХ
И ГЕНЕРАТОРАХ
Типом оборудования, в котором мы будем производить
измерения и анализ частичных разрядов в изоляции, для дан-
ного раздела нашего методического руководства являются
крупные высоковольтные электрические машины. Под этим
термином мы будем понимать синхронные и асинхронные
электродвигатели с рабочим напряжением от 6 кВ, а также
все синхронные генераторы, смонтированные на тепловых и
гидравлических электростанциях. Вопрос контроля изоля-
ции электрических машин других типов, например, контроль
состояния изоляции в машинах постоянного тока, в данном
разделе не рассматривается.
Контроль состояния изоляции высоковольтных электри-
ческих машин в режиме «on-line» может быть осуществлен
несколькими методами. Кратко перечислим свойства совре-
менных, наиболее эффективных методов диагностики пара-
метров изоляции, разработанных в последнее время.
- Контроль вибрации секций обмоток статора в пазах и в
зоне лобовых частей.
Ценность этого метода диагностики заключается в том, что
он позволяет диагностировать даже не само наличие дефектов
в изоляции, а, если так можно сказать, появление предпосылок
к возникновению дефектов в изоляции. Смысл этой фразы
достаточно прост. Вибрации секций обмотки статора в пазах
и в зоне лобовых частей, так или иначе, приводят к истиранию
изоляции, уменьшению ее рабочей толщины и, в конечном
итоге, к возникновению дефектов различного типа.
Процедура контроля подвижности секций обмотки до-
статочно специфична и базируется на использовании стан-
дартного математического аппарата преобразования сигналов
отдатчиков вибрации, смонтированных на пакете статора
электрической машины. Особенностью этого метода является
то, что сравниваются параметры вибрационных сигналов, из-
меренных в некоторых вполне определенных режимах работы
электрической машины. Например, сравнение вибрационных
сигналов статора генератора в двух режимах, холостого хода
и нагрузки, позволяет выделить «чистые» вибрации обмотки
статора от вибраций стали. Определенные гармоники в спектре
этой вибрации обмотки статора дают возможность оценить
подвижность секций в пазах. Сравнение вибраций в других
режимах позволяет контролировать подвижность секций в
зоне лобовых частей и даже контролировать «распушение»
крайних пакетов стали статора.
- Контроль пульсаций радиальной составляющей магнит-
ного поля в зазоре.
Этот метод предназначен для диагностики электромагнит-
ных проблем в роторах электрических машин, как «явно по-
люсных», так и «неявно полюсных». Т.е. этот метод применим
как для электродвигателей и гидрогенераторов с различной
частой вращения, так и для турбомашин с частой вращения
3000 оборотов в минуту.
Мы не зря указали, что этот метод применим для контроля
электромагнитных проблем в роторе. С его помощью контро-
лируется проблемы с изоляцией обмотки ротора — наличие
витковых замыканий в обмотке, наличие более двух мест за-
мыкания обмотки ротора на корпус ротора. Кроме того, при
помощи этого метода контролируется наличие любых магнит-
ных асимметрий в роторе, например, искажение формы пазов
ротора за счет влияния дуговых процессов.
В основе этого метода лежит контроль формы пульсаций
магнитного поля в зазоре, возникающих за счет наличия в
электрической машине зубцов и пазов. Поскольку в данном
методе датчик пульсаций монтируется на пакете статора, то он
регистрирует пульсации, возникающие за счет прохождения
мимо него зубцов ротора. Кроме того, на величину пульсаций
магнитного потока оказывает влияние градация напряжен-
ности электрического поля в зазоре, вызываемая обмоткой
возбуждения. Величина этой составляющей пропорциональна
произведению тока возбуждения на количество витков об-
мотки возбуждения, находящихся в данном пазу. Выявляя
различия в форме и амплитуде пульсаций магнитного потока,
можно достаточно корректно оценить состояние изоляции
обмотки ротора.
- Контроль частичных разрядов в изоляции обмотки стато-
ра. Этот вопрос является предметом написания данной главы
методического руководства.
Контроль состояния изоляции статоров электрических
машин переменного тока по уровню и распределению ча-
стичных разрядов возможен для двигателей и генераторов,
рабочее напряжение которых составляет от 4 кВ и выше. Для
электрических машин, работающих при меньших рабочих
напряжениях статорной обмотки, возникновение дефектов
в изоляции не всегда сопровождается появлением частичных
разрядов. По этой причине эффективность применения этого
метода для низковольтных электрических машин, как и для
машин постоянного тока, невысока.
Работы по измерению частичных разрядов в изоляции ста-
тора электрической машины могут проводиться на работаю-
щей машине в режиме «on-line» или на выведенном из работы
оборудовании в режиме «off-line». В первом случае частичные
разряды возникают под воздействием рабочего напряжения, а
во втором, когда статор электрической машины подключается
к источнику испытательного напряжения, под воздействием
этого напряжения.
Для контроля состояния изоляции электродвигателей под
рабочим напряжением могут быть использованы три органи-
зационно разных системы измерения, анализа и диагностики
состояния изоляции. Это:
- Система непрерывного контроля состояния изоляции при
помощи стационарных систем, смонтированных на каждом
контролируемом электродвигателе, проводимая в режиме «on-
line». Текущая информация о состоянии изоляции оперативно
отображается на главном компьютере системы мониторинга
оборудования. Эта система в наибольшей степени защищает
контролируемое оборудование от возможных повреждений,
однако она имеет максимальную стоимость.
- Система периодического мониторинга состояния изо-
ляции при помощи стационарно установленных датчиков и
использования переносных приборов. Для получения диа-
гностической информации в этой системе необходимо участие
персонала, чтобы произвести измерения и передать получен-
ные данные для анализа в компьютер с встроенной диагно-
стической программой. Такая система мониторинга также
работает в режиме «on-line».
- Система выборочного контроля состояния изоляции элек-
тродвигателей, когда установка датчиков производится непо-
средственно перед проведением измерений. В данной системе
для получения диагностической информации необходимо
сначала установить первичные датчики, а затем произвести
измерения. Большим недостатком такой системы является
то, что обычно для установки датчиков частичных разрядов
электрическую машину необходимо выводить из работы. Из-
мерения частичных разрядов в такой схеме контроля изоляции
могут проводиться в режимах «on-line» и «off-line».
Все эти три системы диагностики, предназначенные для
контроля состояния изоляции статора, достаточно часто
применяются на практике. Их стоимость и эффективность
зависят от многих параметров, основными из которых явля-
ется стоимость контролируемой электрической машины и ее
технологическая значимость.
Завершая общие рассуждения об измерении частичных
разрядов в изоляции обмоток статоров электрических ма-
шин, необходимо сказать, что проблемы выбора частотного
диапазона для регистрирующей аппаратуры в этом случае не
существует. Здесь имеет место практически полная монополия
измерительного оборудования, работающего в «HF» частотном
диапазоне. Соответственно, для регистрации частичных раз-
рядов в обмотках статоров электрических машин используются
только контактные датчики частичных разрядов, работающие
в этом диапазоне частот — высокочастотные трансформаторы
тока «RFCT» и конденсаторы связи «СС».
Все другое измерительное оборудование, работающее в
других диапазонах частот, малоприменимо по нескольким
причинам. Применение акустического метода регистрации ча-
стичных разрядов невозможно из-за недоступности активных
частей статора. Для приборов, работающих в «иНР»-диапазоне
частот, корпус статора также является непреодолимым пре-
пятствием на пути регистрации электромагнитного излучения
от частичных разрядов.
4.1. Датчики для измерения частичных разрядов
в обмотке статора электрических машин
Рассмотрим первичные датчики частичных разрядов, ис-
пользование которых возможно для диагностики состояния
изоляции статора электрических машин с акцентом на воз-
можные места эффективной установки этих датчиков. Только
в этом случае можно обеспечить максимальную информатив-
ность и эффективность работы систем для контроля состояния
изоляции.
Все проблемы с изоляцией обмотки статора электрической
машины возникают, обычно, в трех основных зонах. Это:
- Пазы пакета статора, где частичные разряды возника-
ют на участке изоляции «фаза — земля» и «фаза — фаза», т.е.
между секцией обмотки и сталью пакета статора или же между
двумя секциями обмотки, принадлежащими разным фазам
обмотки.
- Участок выхода секций обмотки статора, где разряды воз-
никают на участке изоляции «фаза — земля». Здесь разряды
возникают на фазном напряжении и чаще всего обусловлены
проблемами полупроводящего покрытия в изоляции сек-
ций.
- Лобовые части секций обмотки статора, где частичные
разряды возникают на участке изоляции «фаза — фаза». Здесь
они всегда возникают под воздействием линейного напряже-
ния между фазами обмотки.
Все эти три основных места расположения обмотки статора,
где потенциально могут и обычно возникают частичные раз-
ряды, требуют пристального внимания со стороны диагноста.
Именно здесь или максимально близко к этим местам следует
монтировать первичные датчики частичных разрядов.
Для проведения регистрации частичных разрядов в обмотке
статора могут быть использованы первичные датчики трех
разных типов. Рассмотрим основные особенности практиче-
ского применения этих датчиков для регистрации частичных
разрядов в электрических машинах.
4.1.1. Конденсаторы связи для подключения
к входным зажимам обмотки статора
электрической машины.
Наиболее универсальным датчиком частичных разрядов для
использования в электрических машинах являются высоко-
вольтные конденсаторы связи типа «СС» (Coupling Capacitors).
Они подключаются обычно к входным высоковольтным клем-
мам обмотки статора, к которым подключается питающий
кабель, так как данная точка обмотки является наиболее ин-
формативной с точки зрения регистрации частичных разрядов
в изоляции. В обмотках статоров, включенных в «звезду с изо-
лированной нейтралью», один конденсатор связи монтируется
в общей точке обмотки, в нейтрали.
По своей форме конденсаторы очень похожи на опорные
изоляторы, на которых обычно монтируются токоведущие
шины. Очевидно, что всегда существует теоретическая воз-
можность установки конденсаторов связи на месте опорных
изоляторов, правда, мы сами никогда не видели такой уста-
новки.
Измерительные конденсаторы связи предназначены для
выделения из высокого напряжения промышленной частоты
с амплитудой в десятки киловольт высокочастотных импуль-
сов, имеющих амплитуду в единицы вольт. Это возможно за
счет того, что сопротивление конденсатора является частотно-
зависимым. Для промышленной частоты оно велико, а для
высоких частот мало. Поскольку частота входит в знамена-
тель формулы, которой определяется величина емкостного
сопротивления, то можно очень быстро оценить разницу в
сопротивлениях. Частота промышленной сети в сто тысяч раз
меньше, чем частота импульса частичного разряда, например,
равного 5 МГц. Таким образом, на выходе конденсатора связи
мы будем иметь одинаковый сигнал, равный одному вольту, в
двух случаях. При подаче на конденсатор напряжения 100 кВ
промышленной частоты или при подаче 1 вольта импульса с
частотой 5 МГц.
Если обмотка статора электрической машины включена
в звезду, то в этой точке мы имеем наибольшее значение ам-
плитуды питающего напряжения, способствующее возник-
новению частичных разрядов, все остальные точки обмотки
оказываются «ближе к земле», имеют меньший высоковольт-
ный потенциал. Если же фазы обмотки статора включены в
треугольник, то и в этом случае внешние зажимы обмотки
обладают необходимой информативностью.
Емкость измерительных конденсаторов связи, используе-
мых в электрических машинах, чаще всего составляет 80 пи-
кофарад. Величина этой емкости может быть и другой, это
значение не является критическим по каким-либо особым
параметрам. Просто почти повсеместное использование из-
мерительных конденсаторов с величиной емкости в 80 пико-
фарад отражает тот факт, что такую емкость имеют наиболее
распространенные слюдяные конденсаторы связи производ-
ства фирмы «IRIS». Исторически сложилось так, что в сфере
измерения частичных разрядов в электрических машинах эта
фирма является своеобразным «законодателем мод», особенно
в производстве конденсаторов связи.
Самым важным для измерительного конденсатора связи
свойством является только то, что его емкость была стабильной
по температурным и временным параметрам. Это абсолютно
необходимо для получения постоянных и надежных данных
о величине частичных разрядов в изоляции обмотки статора,
особенно в сложных условиях эксплуатации электрических
машин. Вторым, не менее важным требованием к конденсато-
рам связи является то, чтобы они обеспечивали необходимую
стойкость собственной изоляции к импульсным воздействи-
ям в питающей сети, а также не выходили из строя во время
испытаний обмотки статора повышенным испытательным
напряжением.
Этим достаточно сложным требованиям к стойкости и
стабильности параметров изоляции в наибольшей мере со-
ответствуют конденсаторы связи, имеющие внутреннюю слю-
дяную изоляцию, помещенные в литой корпус из эпоксидного
компаунда. Такие конденсаторы имеют достаточно высокую
стоимость, что обусловлено жесткими требованиями к качеству
слюдяной изоляции и эпоксидного компаунда, из которого
выполняется корпус конденсатора связи. Вполне очевидно,
что сам конденсатор связи не должен быть источником ча-
стичных разрядов.
В последнее время для регистрации частичных разрядов
начали находить применение в качестве конденсаторов связи
емкостные делители напряжения, используемые в большин-
стве КРУ. По форме они напоминают стандартные полимерные
опорные изоляторы, на место которых они монтируются. Ем-
кость таких делителей составляет 10—20 пФ, чего вполне до-
статочно для регистрации частичных разрядов. Достоинством
таких емкостных делителей является их невысокая стоимость,
они почти на порядок дешевле обычных слюдяных конденса-
торов связи.
При монтаже конденсаторов связи внутри электродвига-
теля достаточно часто приходится сталкиваться с обычным
недостатком места, так как при проектировании большинства
электрических машин установка таких датчиков не предпо-
лагалась. Тем не менее, измерительные конденсаторы связи
стараются использовать всегда, когда необходимо провести
регистрацию частичных разрядов в изоляции обмотки статора
электрической машины. Более информативного «внешнего»
датчика, предназначенного для этих целей, не существует.
Несмотря на кажущуюся простоту вопроса, существует
несколько способов подключения конденсаторов связи к из-
мерительным приборам, предназначенным для регистрации
частичных разрядов в изоляции электрических машин. Ис-
пользуемые при этом технические решения, внешне кажу-
щиеся очень простыми, позволяют решить несколько допол-
нительных проблем регистрации частичных разрядов.
На рисунке 4.1. приведены три наиболее распространенные
схемы подключения конденсаторов связи. Схема включения
4.1.а. является наиболее простой, в ней при помощи изоли-
рующего высокочастотного трансформатора тока выделяется
высокочастотный сигнал, который по коаксиальному кабелю
передается в измерительный прибор.
Схема 4.1.Ь. является более информативной, универсальной.
Наряду с высокочастотным сигналом частичных разрядов в
прибор от конденсатора связи поступает емкостный ток про-
мышленной частоты, протекающий через конденсатор связи.
Это дает возможность регистрировать не только высокочастот-
ные импульсы, возникающие в изоляции обмотки статора, но
и иметь синхронизирующий сигнал, позволяющий определить
фазовую связь импульсов частичных разрядов с питающим
напряжением, приложенным к контролируемой фазе обмотки
статора. Это очень важная для процесса регистрации высоко-
частотных импульсов опция. Знание угловой фазы возникно-
вения импульсов частичных разрядов позволит в дальнейшем
проводить углубленную экспертизу, определять тип дефекта в
изоляции, оценивать реальную степень его развития.
Схема подключения измерительного конденсатора связи
4.1.с. является модификацией второй схемы. Дополнительные
элементы в этой схеме предназначены для снижения уровня
помех, наводимых уже в соединительном кабеле от посторон-
них источников. Предоставим читателю возможность попы-
таться самому разобраться в особенностях работы этой схемы,
избавленной от влияния синфазных помех, предназначенной
для подключения измерительного конденсатора связи к при-
бору регистрации частичных разрядов.
Монтировать конденсаторы связи необходимо как можно
ближе к обмотке статора, внутри внешнего корпуса статора
электрической машины, только в этом случае достигается
максимальная чувствительность измерительной схемы. Как
мы уже писали выше, оптимальной точкой являются входные
зажимы обмотки, ближе к обмотке установить конденсаторы
Ь)
сс_____I__
Рис. 4.1. Схемы подключения конденсаторов связи
к измерительным приборам.
связи просто невозможно физически. Если это не удается сде-
лать на входных зажимах обмотки статора, то конденсаторы
связи монтируются максимально близко к обмотке, насколько
это возможно технически.
Если подключение статора электрической машины вы-
полнено шинопроводом, что делается у крупных генераторов,
то конденсаторы связи можно монтировать вместо опорных
изоляторов в самом начале шинопровода, максимально близко
к генератору. В этом случае специфическая внешняя форма
конденсаторов связи оказывается очень полезной для условий
монтажа. Такая установка датчиков частичных разрядов в
шинопроводе имеет дополнительные преимущества, так как
позволяет также контролировать наличие частичных разрядов
и в шинопроводе.
Следует помнить, что эпоксидно-слюдяной конденсатор
связи имеет сравнительно высокую цену, что обусловлено осо-
быми требованиями к его производству и монтажу. Вторым их
важным недостатком является то, что конденсаторы этого типа
приходится отключать от статора электрической машины при
проведении высоковольтных испытаний.
Хотим мы этого или не хотим, но здесь нам снова придется
вернуться к вопросу выбора частотного диапазона работы
нашей регистрирующей аппаратуры. Правда, здесь мы не бу-
дем решать методологический вопрос о выборе «глобального»
диапазона частот — «LF», «HF» или «UHF». Поскольку мы уже
определились с тем, что будем использовать конденсаторы
связи, относящиеся к контактным датчикам типа «С-Sensors»,
работающим в «НЕ»-диапазоне частот, весь вопрос будет фор-
мулироваться несколько иначе: а в какой же части диапазона
«HF» должна работать наша измерительная аппаратура?
Здесь тоже не все так просто, разные производители обо-
рудования говорят о достаточно различающихся частотах, за-
хватывая диапазон частот от 0,5 до 80,0 М Гц. Какие частоты
регистрации частичных разрядов в электрических машинах
являются оптимальными для работы, определить достаточно
трудно, так как каждый производитель диагностического обо-
рудования абсолютно убежден в своей правоте, «иначе бы он
не производил бы такую измерительную аппаратуру вообще».
Мы не имеем однозначного мнения об оптимальных часто-
тах регистрации частичных разрядов в изоляции статора элек-
трической машины, мы просто приведем читателю наиболее
общие аргументы, относящиеся к этому вопросу, предоставив
пользователю право самому принимать свое, естественно,
абсолютно правильное решение.
Рассмотрим особенности измерения частичных разрядов в
изоляции электрических машин. Для этого рассмотрим осо-
бенности регистрации высокочастотных импульсов, возник-
ших «глубоко» в обмотке, на сравнительно большом удалении
от места установки измерительного конденсатора связи.
Если импульс частичного разряда возникает «глубоко»
в обмотке, на большом удалении от входных клемм, то его
амплитуда по мере перемещения от точки возникновения к
точке подключения измерительного конденсатора связи сильно
уменьшается. Уменьшение амплитуды автоматически сопро-
вождается снижением частотных параметров импульса, так
как импульс становится «менее крутым», более растянутым во
времени. Все эти заключения схематически иллюстрируется
при помощи информации, приведенной на рисунке 4.2.
Рис. 4.2. Изменение параметров импульса ЧР, возникшего
«глубоко» в обмотке, зарегистрированного на входных зажимах
обмотки статора.
На этом рисунке показывается, что высокочастотный им-
пульс, график «I», возникший в глубине обмотки статора, на
измерительном конденсаторе, подключенном к внешним зажи-
мам обмотки, будет иметь другую форму сигнала, сравнительно
более низкую частоту и значительно меньшую амплитуду, как
это, например, показано на графике «II».
Известный факт, что конденсатор связи является частотно
зависимым датчиком частичных разрядов, в данном случае
отрицательно сказывается на возможностях регистрации им-
пульсов, возникших в глубине обмотки. Он лучшим образом
работает в диапазоне частот в десятки и сотни мегагерц, но
значительно хуже регистрирует такие, сравнительно низко-
частотные импульсы, возникшие в обмотке на удалении от
входных клемм. Чем «глубже» в обмотке возник импульс, тем
меньше шансов зарегистрировать его на «поверхности» при
помощи конденсатора связи.
Для количественной оценки снижения чувствительности
такой измерительной схемы снова вернемся к рассмотрению
импульсов, показанных на рисунке 4.2. Пусть импульс возник
в глубине обмотке, в точке 1, и на клеммах обмотки, в точке
2, уменьшил свою амплитуду в пять раз. При этом частотные
параметры импульса также изменяются, условно говоря, его
длительность возрастает в пять раз, что примерно соответ-
ствует реальному процессу затухания электрических машин.
На рисунке специально показано, что в 5 раз возросла длитель-
ность импульса, т.е. его частота уменьшилась в пять раз.
Все это приведет к тому, что на выходе конденсатора связи
сигнал от «глубинного» импульса в изоляции статора электри-
ческой машины будет в 25 раз меньше амплитуды импульса,
если бы он возник рядом с местом установки конденсатора.
Вполне очевидно, что такой разброс амплитуд регистрируемых
импульсов частичных разрядов не позволяет корректно кон-
тролировать общее техническое состояние изоляции статора,
оценивать остаточный ресурс изоляции.
Если мы увидим в зарегистрированном сигнале высокоча-
стотный импульс, который по амплитуде меньше аварийного
порога в 25 раз, то мы, конечно, скажем, что в изоляции кон-
тролируемой обмотки нет опасных дефектов. На самом деле,
этот дефект имеет как раз аварийный уровень, но корректно
это диагностировать мы не можем, что обусловлено частотны-
ми свойствами используемого датчика частичных разрядов.
Практический вывод из анализа этого, достаточно просто-
го рисунка, является очень важным. Повышая частоту реги-
страции импульсов частичных разрядов при использовании
в качестве датчиков измерительных конденсаторов связи, мы
уменьшаем пространственную зону чувствительности нашего
прибора системы мониторинга. Мы перестаем корректно оце-
нивать степень развития дефектов, развивающихся в глубине
обмотки, на большом удалении от входных зажимов.
Разрабатывая конфигурации практических измерительных
схем, не стремитесь всегда устанавливать «максимально воз-
можное» количество конденсаторов связи. Если есть возмож-
ность реальной замены конденсатора связи датчиком другого
типа или, как вам кажется, информативность конденсатора
связи в этом месте будет невысокой — откажитесь от его уста-
новки. Этим вы, не ухудшая технических возможностей вашей
системы регистрации частичных разрядов, существенно сни-
зите ее цену и, соответственно, повысите ее экономическую
привлекательность.
4.1.2. Датчики частичных разрядов для монтажа
в пазу статора.
Зона пазов статора, в которых располагаются секции трех-
фазной обмотки, является очень важной для проведения диа-
гностики состояния изоляции обмотки. Непосредственно
внутри пазов статора, особенно в месте выхода секций обмотки
из пакета статора, обычно и возникают частичные разряды.
Здесь нам необходимо немного коснуться вопроса о необхо-
димости использования дополнительных датчиков частичных
разрядов, монтируемых в пазах статора. После рассмотре-
ния возможностей конденсаторов связи возникает некоторое
ощущение, что кроме конденсаторов связи, необходимости
в установке датчиков других типов нет. Кажется, что все во-
просы с первичными датчиками частичных разрядов в элек-
трических машинах решены. Это так и не так. Поясним это
чуть подробнее.
Статор крупной электрической машины, особенно турбо-
генератора, имеет большую длину при сравнительно малом
диаметре. Такая конструктивная особенность приводит к тому,
что частичный разряд, возникший на большом удалении от
входных зажимов обмотки (под удалением сейчас мы понимаем
удаление по секциям обмотки), может не достигнуть входных
зажимов, затухнув в пазах. Такое затухание тем больше, чем
более длинный путь придется преодолевать высокочастотно-
му импульсу по пазам. Как мы уже упоминали выше, такое
затухание тем сильнее, чем больше длина пакета статора. До-
стоверность нашей диагностики будет меньше, если мы будем
регистрировать значительно затухшие импульсы, не зная об
этом. По этой причине мы не сможем правильно оценить уро-
вень развития дефекта. Еще хуже будет в том случае, если мы
вообще не сможем зарегистрировать высокочастотные импуль-
сы от реально существующих, но удаленных дефектов.
Отсюда вытекает важное методологическое понятие, свя-
занное с созданием конфигурации измерительной схемы, спра-
ведливое как для систем мониторинга, так и для измерений
частичных разрядов, проводимых при помощи переносных
приборов. Чем больше геометрические размеры статора кон-
тролируемой электрической машины, особенно его длина,
тем больше на нем нужно установить первичных датчиков
частичных разрядов. Этими дополнительными датчиками
частичных разрядов как раз и являются различные антенны,
монтируемые в пазах статора.
В качестве электромагнитных антенн, монтируемых в пазах
статора, чаще всего используют датчики двух типов.
Во-первых, это плоские датчики электромагнитного поля
(плоские катушки или даже полоски фольги), которые вклеи-
ваются в пазы, встраиваются между секциями обмотки или
даже вставляются под пазовые клинья обмотки статора. Такие
конструктивно простые датчики по принципу своего дей-
ствия как раз и представляют собой антенны электромагнит-
ного излучения. Недостатком использования таких датчиков
электромагнитного поля является высокая трудоемкость их
установки в пазах статора, выполняемой только на отклю-
ченной и разобранной электрической машине. Необходимо
проводить выемку ротора, чтобы получить хороший доступ
к пазовым клиньям статора. Существуют также и некоторые
проблемы по безопасному выводу соединительного кабеля
из зазора машины на наружную клеммную коробку, где под-
ключается измерительный прибор.
Вторым типом датчиков частичных разрядов, монтируе-
мых в пазах обмотки статора, являются стандартные термо-
метры сопротивления, уже заложенные на заводе-изготовителе
электрической машины в обмотку между секциями обмотки
(контроль температуры меди обмотки) и на дне пазов статора
(контроль температуры активной стали статора). Эти датчики
температуры, обычно типа Pt 100, для высокочастотных сигна-
лов частичных разрядов также являются электромагнитными
антеннами.
Использование таких датчиков, в отличие от дополнитель-
но устанавливаемых датчиков электромагнитного поля, не
требует существенного вложения средств и больших затрат
на монтажные работы. Недостатком использования таких
датчиков может явиться при определенных параметрах статора
и соединительных проводов пониженная чувствительность.
В основном это обусловлено применением в соединительных
цепях термосопротивлений проводов, не рассчитанных на
«пропускание» высокочастотных сигналов, особенно низкока-
чественных экранированных проводов. Наиболее часто такие
«плохие» экранированные провода отдатчиков температуры
применяются в генераторах при использовании водородного
охлаждения.
Оба типа «пазовых» датчиков находят применение в прак-
тических исследованиях изоляции статоров электрических ма-
шин. Выбор того или иного типа пазового датчика, в основном,
определяется традициями фирмы, изготовителя оборудования,
для регистрации частичных разрядов и текущими техниче-
скими особенностями монтажа электромагнитных антенн в
пазах. С измерительным оборудованием фирмы «DIMRUS»,
особенно при организации периодического мониторинга со-
стояния изоляции, мы рекомендуем использовать в качестве
антенн выводы термометров сопротивления. Для реализации
этой технической возможности в нашей производственной
программе специально разработан и производится датчик
марки DRTD-3.
Тем не менее, нет никаких ограничений на использова-
ние с нашим измерительным оборудованием и любых других
встраиваемых датчиков электромагнитного поля. Если такие
датчики уже установлены в пазах статора, вне зависимости от
их типа и исполнения, то необходимо всегда их использовать.
Чем больше различных датчиков будет использовано в из-
мерительной схеме, тем больше будет полезной информации,
тем более информативным и корректным будет итоговое за-
ключение диагноста.
4.1.3. Дополнительные датчики, используемые
для измерения частичных разрядов
в электрических машинах.
Использование измерительных конденсаторов связи, а если
необходимо, то и датчиков, закладываемых в пазы статора элек-
трической машины, чаще всего дает возможность достаточно
корректно измерять уровень частичных разрядов в изоляции
статоров практически любых электрических машин. Говоря
другими словами, это необходимый и обычно достаточный
набор первичных датчиков, позволяющий измерять частичные
разряды в изоляции обмотки статора.
Тем не менее, в некоторых практических случаях для из-
мерения частичных разрядов в электрических машинах при-
ходится довольно часто использовать дополнительные датчики.
Основное назначение дополнительных датчиков — повыше-
ние помехоустойчивости измерительных схем, созданных на
основе конденсаторов связи, и электромагнитных антенн в
пазах. При помощи сигналов от этих датчиков удается отде-
лять импульсы частичных разрядов, возникших в изоляции
обмотки статора контролируемой электрической машины, от
высокочастотных импульсов, наведенных от других высоко-
вольтных объектов.
Дополнительные датчики, используемые в схемах изме-
рения частичных разрядов в изоляции статора электриче-
ской машины, могут быть установлены в различных местах.
Эти места установки дополнительных датчиков, чаще всего,
определяются целевой функцией проводимых исследований
и возможностями самого датчика.
Таких вариантов установки дополнительных датчиков не
так и много, основными являются следующие:
- В нейтрали обмотки статора электрической машины, если
она включена в «звезду». Если у обмотки статора нейтральная
точка изолирована от земли, то в этом случае используют стан-
дартные конденсаторы связи, монтируемые внутри корпуса
электрической машины. Если нейтральная точка трехфазной
обмотки статора «глухо» подключена к земле, то на проводнике
заземления нейтрали монтируют высокочастотный импульсный
трансформатор тока из серии «RFCT».
- Датчики высокочастотного электромагнитного излуче-
ния внутри корпуса статора. Обычно это антенны различной
конструкции, не имеющие направленности, регистрирующие
импульсы от частичных разрядов в UHF-диапазоне частот. При
помощи этих электромагнитных датчиков контролируются по-
верхностные и коронные разряды в изоляции обмотки статора,
возникающие в зоне лобовых частей обмотки и в местах выхода
секций обмотки из пакета активной стали.
- Конденсаторы связи, монтируемые внутри подводящего
(или отводящего у генераторов) шинопровода, если он имеет
место в данном контролируемом оборудовании. Как мы уже
указывали, здесь конденсаторы связи обычно монтируются на
месте установки опорных изоляторов.
- У мощных генераторов, подключенных при помощи шино-
провода, можно измерять частичные разряды на участке «кор-
пус генератора — экран шинопровода». В этом изолированном
промежутке можно устанавливать специализированные, изо-
лированные, датчики с емкостным делителем и высокочастот-
ным трансформатором тока, например, марки «RFCT-2». При
помощи этого датчика также можно существенно повысить
помехозащищенность измерительной схемы, исключив внеш-
ние помехи, пришедшие в измерительный датчик извне, по
шинопроводу.
В каждом конкретном случае проведения измерений выбор
необходимого набора первичных датчиков и определение опти-
мального места установки всех датчиков частичных разрядов
определяется специалистом, проводящим измерения. В основе
выбора набора датчиков лежат две задачи — максимальная ин-
формативность проводимых измерений частичных разрядов и
эффективная отстройка от внешних помех.
Вопрос экономической целесообразности и обоснованности
используемой измерительной схемы мы пока не рассматриваем.
Он максимально важен для систем мониторинга и несколько ме-
нее важен для систем периодического мониторинга, когда один
комплект датчиков может быть использован многократно.
4.2. Схемы измерения частичных разрядов
в электрических машинах в режиме «off-line»
Измерения параметров изоляции обмотки статора в режиме
«off-line» проводятся чаще всего во время и после проведения
ремонтных работ с электрической машиной. Такие измерения
частичных разрядов в изоляции статоров электрических ма-
шин проводятся с использованием источников испытательного
напряжения.
Важным преимуществом измерения частичных разрядов,
проводимых с использованием дополнительных источников,
является то, что при проведении таких измерений можно легко
избавиться от «внешних» высокочастотных помех, которые мо-
гут возникнуть, в данном случае, только в источнике высокого
напряжения. От влияния таких помех можно легко избавить-
ся, применив высокочастотный дроссель, препятствующий
поступлению помех в статор контролируемой электрической
машины. Это является крайним случаем, так как практически
все источники испытательного напряжения производства
уважаемых фирм являются «PD-Free», то есть они свободны
от внутренних частичных разрядов и не влияют на проведение
измерений.
Вторым достоинством использования измерений пара-
метров состояния изоляции с дополнительным источником
высокого напряжения является то, что испытания можно
проводить при разных значениях уровня приложенного на-
пряжения. Это позволяет выявить уровень напряжения, при
котором начинают возникать частичные разряды в изоляции,
а также связь величины испытательного напряжения с общим
уровнем и распределением частичных разрядов. Такая инфор-
мация полезна при оценке опасности воздействия возникших
частичных разрядов в изоляции, что влияет на безаварийную и
длительную эксплуатацию контролируемого оборудования.
Третьим достоинством схемы измерения частичных раз-
рядов в режиме «off-line» является то, что при использовании
двух источников испытательного напряжения, а в некоторых
случаях и при помощи одного источника, можно локализовать
место возникновения разрядов. Удается выявить, на каком
изоляционном промежутке происходит локальный «пробой»
изоляции. При помощи дополнительных приборов можно
уточнить место возникновения приборов, так как внутренняя
поверхность статора и лобовые части доступны для наблюде-
ния, тем более, если ротор электрической машины для ремонта
«выкачен» из расточки пакета статора.
Наиболее существенным недостатком применения метода
измерений частичных разрядов в обмотке статора в электри-
ческих машинах в режиме «off-line» является сама необходи-
мость перевода оборудования в этот режим, т.е. вывода его
из работы, а также использование дополнительного, часто
дорогостоящего, высоковольтного источника переменного
тока промышленной частоты. Проведение таких испытаний
возможно только во время ремонтных или сервисных работ
на выведенном из работы, отключенном от сети и, в идеале,
при «выкаченном» роторе.
Рассмотрим практические схемы измерения частичных
разрядов в статоре электрической машины, которые основа-
ны на использовании дополнительного источника высокого
напряжения. Пример наиболее простой и распространенной
схемы измерений частичных разрядов, определения мест воз-
никновения, типов и степени развития дефектов в изоляции
обмотки показан на рисунке 4.3.
Внешние выводы всех трех фазных обмоток статора для со-
кращения времени проведения испытаний изоляции объеди-
няются вместе и подключаются к источнику испытательного
напряжения. При помощи одного высоковольтного конден-
сатора связи, входящего в состав испытательной установки,
подключенного после фильтрующего дросселя, проводится
измерение частичных разрядов в обмотке статора.
При такой схеме подключения одновременно оценивается
состояние изоляции всех трех фаз обмотки при приложении
испытательного напряжения на участке изоляции «фаза — зем-
ля». Если частичные разряды будут обнаружены, то на втором
этапе испытаний необходимо фазы обмотки статора подклю-
чать последовательно, предварительно «разобрав» общую точку
нейтрали обмотки. Это позволит оперативно выявить фазу,
в которой присутствуют частичные разряды в изоляции.
Для упрощения измерительной схемы, снижения ее стои-
мости, для регистрации частичных разрядов в обмотке статора
можно воспользоваться не измерительным конденсатором
связи, а более дешевым датчиком типа RFCT, который можно
смонтировать на заземляющем проводнике и которым корпус
статора электрической машины подключается к земляной
точке источника испытательного напряжения.
Это схема измерения частичных разрядов без конденсатора
связи значительно проще и безопаснее, однако в ней нельзя
использовать фильтрующий дроссель, который устанавли-
вается в цепи высокого напряжения и предназначается для
подавления внутренних помех источника испытательного на-
пряжения. Датчик типа RFCT может быть использован только
в том случае, если источник испытательного напряжения не
имеет внутренних частичных разрядов.
Для повышения достоверности измерения частичных раз-
рядов в изоляции статора нужно использовать дополнительные
датчики, например, датчики измерения температуры обмот-
ки статора, подключаемые при помощи специальных согла-
сующих устройств. На рисунке 4.3. показано подключение к
измерительному прибору трех конденсаторов связи и одного
трехфазного датчика (устройства согласования) марки DRTD-3.
В зависимости от общего количества встроенных в обмотку
статора датчиков температуры, количество датчиков марки
DRTD-3 в общей схеме измерения может быть увеличено, что
повысит итоговую достоверность проводимых измерений.
Рис. 4.3. Установка датчиков для контроля частичных разрядов
в изоляции обмотки статора в режиме «off-line».
Использование термометров сопротивления в качестве
антенн электромагнитного излучения или специализирован-
ных антенн, располагаемых непосредственно в пазах статора,
как это показано на рисунке 4.3., повышает чувствительность
проведения измерений частичных разрядов.
Достоверность проведения таких измерений в комбини-
рованной схеме регистрации импульсов частичных разря-
дов получается существенно выше, так как дополнительные
электромагнитные «антенны» располагаются непосредственно
в пазу обмотки, и они более приближены к «глубинному» ча-
стичному разряду, чем конденсатор связи. Поэтому, а также за
счет того, что для подключения этих электромагнитных ан-
тенн используются не частотно зависимые цепи согласования,
удается повысить общую чувствительность схемы измерения
частичных разрядов.
Частичные разряды в изоляции обмотки статора электри-
ческой машины могут возникать не только на участке изо-
ляции «фаза — земля», обычно внутри паза и особенно часто
в зоне выхода секций обмотки из пакета статора, которые кон-
тролируется при помощи измерительной схемы, показанной
на рисунке 4.3. Не менее опасным, с точки зрения частоты и
опасности появления различных дефектов, является участок
изоляции «фаза — фаза». Именно к этому участку изоляции
прикладывается еще большее напряжение, равное величине
линейного напряжения питающей сети.
Таких участков в статоре электрической машины достаточно
много. Это и лобовые части обмотки, где проходят секции всех
трех фаз, и внутренняя изоляция в пазу, где также могут быть
расположены секции обмоток двух разных фаз. Эта изоляция
при помощи измерительной схемы, показанной на рисунке
4.3., никак не контролируется, так как все фазы трехфазной
обмотки находятся под одинаковым потенциалом источника
испытательного напряжения.
Для измерения частичных разрядов, возникающих в об-
мотке статора на участке изоляции между секциями обмотки
двух фаз, на интервале «фаза - фаза» может быть использована
специальная испытательная схема. Она отличается тем, что в
ней используются два источника повышенного переменного
напряжения промышленной частоты. Такая схема измерений
приведена на рисунке 4.4.
В этой схеме регистрации частичных разрядов используются
два одинаковых высоковольтных источника испытательного
напряжения HV1 и HV2, вторичные выводы которых одновре-
Рис. 4.4. Установка датчиков для контроля
частичных разрядов в изоляции на участке
«фаза — фаза» с двумя источниками напряжения.
менно подключаются к двум контролируемым фазам обмотки
статора. При этом своими первичными обмотками эти источ-
ники подключаются к напряжениям разных фаз трехфазной
системы 0,4 кВ, например, к фазам «А» и «В». Эти напряжения
сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, в результате
чего и выходные напряжения этих испытательных источников
будут также сдвинуты относительно друг друга на необходи-
мый угол в 120 «электрических» градусов.
При подключении обоих испытательных источников к
двум фазам статора контролируемой электрической машины,
к изоляции фазных обмоток на участке «фаза — земля», от ис-
точников высокого напряжения будет приложено переменное
испытательное напряжение, равное номинальному, фазному
значению. К участку изоляции «фаза — фаза» между фазами
обмотки статора будет приложено испытательное напряжение,
равное номинальному линейному напряжению.
Такое распределение напряжений на участках изоляции
обмоток соответствует рабочему режиму работы оборудования
и не оказывает отрицательного воздействия на параметры
изоляции. Измерения, выполненные по такой схеме, досто-
верно определят состояние изоляции и не приведут к пере-
напряжениям.
Возможен и второй вариант измерения частичных разря-
дов в изоляции обмотки статора на участке изоляции «фаза
— фаза». Такой вариант испытательной схемы, предназначен-
ной для измерения частичных разрядов в изоляции обмотки
статора, приведен на рисунке 4.5.
Для проведения измерений фазные обмотки статора изоли-
руются друг от друга, электрически разделяя их в общей точке
обмотки. Далее поочередно по две фазные обмотки статора
замыкаются на землю, а на третью обмотку, изоляция кото-
Рис. 4.5. Установка с одним
источником напряжения для контроля
частичных разрядов в изоляции
на участке «фаза — фаза».
рой контролируется,
относительно земли
и двух других обмо-
ток подается высокое
напряжение от источ-
ника испытательного
напряжения.
В такой испыта-
тельной схеме под
воздействием высоко-
вольтного напряжения
источника под испыта-
тельным напряжением
оказываются не только участки изоляции контролируемой
фазы «фаза — земля». Испытательное напряжение приклады-
вается и к участку изоляции «фаза — фаза» той фазы обмотки,
которая подключена к источнику. Недостатком такой схемы
измерения является то, что участок изоляции «фаза — фаза»
находится под фазным напряжением, которое существенно
меньше линейного, под которым эксплуатируется этот участок
изоляции.
Конечно, напряжение источника питания можно поднять и
до величины линейного напряжения и проводить испытания
изоляции «фаза — фаза» под рабочим напряжением. Однако,
при этом вся изоляции контролируемой фазы, в том числе и
изоляции «фаза — земля», также окажется под линейным на-
пряжением. Такое значительное превышение испытательного
напряжения на 70% (соотношение между фазным и линейным
напряжениями в трехфазной сети связано значением «^3»)
опасно для изоляции и может привести к ее пробою, т.е. к по-
вреждению изоляции во время проведения испытаний.
Поэтому в таком режиме повышенного напряжения, не-
обходимого для участка изоляции «фаза — фаза», фазную
изоляцию обмотки статора стараются не испытывать, чтобы
искусственно не сократить ресурс ее работы.
В заключение по данному вопросу хочется сделать еще одно
замечание. При проведении испытаний изоляции обмоток
статоров имеется уникальная возможность точно локали-
зовать место возникновения дефекта в изоляции. Для этого
достаточно применить самый простой прибор регистрации
частичных разрядов, например, «R300», имеющий датчик
«открытого типа» «RFCT-б», показанный на рисунке 8.7.
Такое оборудование производит фирма «DIMRUS».
Производится это следующим образом. На обмотку статора
подается испытательное переменное напряжение и произво-
дится измерение уровня частичных разрядов обычным об-
разом. Если частичные разряды будут обнаружены, то можно
начать процедуру локализации места их возникновения. Дат-
чик «RFCT-б» медленно перемещают вблизи вероятных точек
возникновения разрядов, на расстоянии 1—2 см от элементов
обмотки, выявляя зоны с максимальной высокочастотной
активностью. Очевидно, что такие измерения необходимо про-
водить вдвоем, используя индивидуальные средства защиты
от поражения персонала электрическим током.
4.3. Измерение частичных разрядов в обмотке
статора электрических машин в режиме
мониторинга
Измерения частичных разрядов в изоляции статора элек-
трических машин под рабочим напряжением в режиме «on-
line» выполняется по таким же схемам, как и при измерениях в
режиме «off-line», с использованием источника испытательного
напряжения. Отличие состоит только в том, что параметры
питающей сети являются неизменными, не зависящими от
испытателя, тогда как параметры испытательного источника
пользователь может в зависимости от поставленной задачи
изменять.
Самым большим отличием измерений частичных разрядов
в двух режимах является то, что в режиме «on-line» мы имеем
существенно больший уровень наведенных «извне» высоко-
частотных помех. Именно вопросу борьбы с этими помехами
приходится уделять наибольшее внимание при организации
непрерывного мониторинга состояния изоляции статорной
обмотки. От того, насколько эффективно будет вестись эта
борьба, будет зависеть достоверность работы системы монито-
ринга. В максимальной степени это зависит от возможностей
аппаратуры регистрации и анализа частичных разрядов.
Второй проблемой, возникающей при проведении измере-
ний частичных разрядов в электрических машинах в режиме
«on-line», являются высокие требования к надежности рабо-
ты и монтажа конденсаторов связи. Они должны надежно и
длительно работать в очень тяжелых условиях, при высокой
температуре, сильных магнитных полях и т.д.
Датчики частичных разрядов марки «DRTD-З», включае-
мые в цепи измерения температуры обмотки статора, могут
быть установлены и на работающем оборудовании при условии
предварительного отключения на период установки системы
блокировки электрической машины по превышению тем-
пературы обмотки. Датчики контроля частичных разрядов
марки «RFCT-4» и «RFCT-5», включаемые в цепи заземления
нейтрали обмотки статора, и на заземлении экрана питающего
кабеля, чаще всего также удается устанавливать на работающем
оборудовании.
В любом случае установку первичных датчиков частичных
разрядов на статоре электрической машины необходимо про-
изводить на отключенном оборудовании. Это позволяет по-
высить безопасность работ, надежно установить необходимое
количество датчиков. Что очень важно, это дает возможность
качественно провести калибровку схемы измерения с учетом
затухания внутри электрической машины. На включенной ма-
шине провести калибровку измерительной схемы нельзя.
Рис. 4.6. Система мониторинга состояния
изоляции для обмотки статора
высоковольтного электродвигателя на основе
диагностического реле «IDR-10».
Хорошим вари-
антом для осущест-
вления периодиче-
ского мониторинга
состояния изоля-
ции обмотки стато-
ра на основе изме-
рений частичных
разрядов является
предварительная
установка необхо-
димого набора пер-
вичных датчиков,
выполняемая на отключенном оборудовании. Это позволяет
на всем оборудовании, на котором установлены датчики, про-
водить измерения частичных разрядов в любое удобное для
этого время. Недостатком такого подхода является увеличение
стоимости технических средств за счет установки датчиков на
каждой контролируемой электрической машине.
Самым дешевым вариантом системы мониторинга вы-
соковольтных электродвигателей мощностью до 6—10 МВт,
основанной на измерении частичных разрядов в изоляции
обмотки статора, является система с интеллектуальным диа-
гностическим реле марки «IDR-Ю».
В этой системе мониторинга в качестве первичных датчиков
используются только три конденсатора связи, расположенные
на входных зажимах обмотки статора. Вместо конденсаторов
связи со слюдяной изоляцией в данной конфигурации системы
мониторинга используются стандартные емкостные делители
напряжения, на использование которых рассчитано диагно-
стическое реле «IDR-Ю».
Такие емкостные делители, широко используемые в инди-
каторах высокого напряжения, монтируемых в КРУ, обладают
всеми свойствами конденсаторов связи, имеют очень высо-
кую эксплуатационную надежность, выполняют функции
стандартного опорного изолятора, но многократно дешевле.
Благодаря этому, система мониторинга частичных разрядов в
высоковольтной изоляции может иметь сравнительно очень
невысокую стоимость и быть простой в монтаже.
Единственным существенным отличием емкостного де-
лителя от стандартного конденсатора связи является более
низкая измерительная емкость. Выше мы писали, что обычно
величина емкости конденсатора связи составляет 80 пФ. Ве-
личина емкости делителя напряжения составляет от 10 до 20
пФ в зависимости от величины рабочего напряжения в кон-
тролируемой высоковольтной сети. Однако, поскольку реле
«IDR-Ю» специально рассчитано на работу с измерительными
конденсаторами такой емкости, никаких специфических про-
блем при этом не возникает.
По своим диагностическим функциям диагностическое
реле марки «IDR-Ю» практически ничем не уступает своим
«более дорогим конкурентам», а благодаря наличию встроен-
ной экспертной системы, может даже превосходить их. Данное
диагностическое реле не только регистрирует высокочастотные
импульсы частичных разрядов, рассчитывает их интегральные
параметры по фазам, но и позволяет определять тип выявлен-
ного дефекта и степень его развития.
На рисунке 4.7. приведена конфигурация более сложной
системы мониторинга, уже для электрической машины «сред-
ней» мощности.
Под такими элек-
трическими маши-
нами мы понимаем
высоковольтные
электродвигатели
всех мощностей и
Рис. 4.7. Схема установки датчиков контроля
частичных разрядов в высоковольтном
электродвигателе.
генераторы раз-
личных типов,
мощность которых
не превышает 60 МВа. Это тоже простая и сравнительно не-
дорогая система мониторинга для электрических генераторов
небольшой мощности.
Для любых синхронных и асинхронных электрических
машин такой мощности достаточно установки на статоре всего
четырех первичных датчиков. Это три стандартных конден-
сатора связи, смонтированных на входных зажимах обмотки
статора, и один высокочастотный трансформатор тока марки
«RFCT», смонтированный на проводнике заземления высоко-
вольтной кабельной линии.
Отличие данной системы мониторинга от предыдущей за-
ключается в используемом измерительном приборе. Если пред-
ыдущая система мониторинга выполнена на основе диагности-
ческого реле, то в данной системе мониторинга использован
специализированный измерительный прибор. Это позволяет
системе мониторинга эффективнее отстраиваться от внешних
высокочастотных помех, приходящих по кабельной линии,
что повышает достоверность работы. Как и все стационарные
системы, данная система рассчитана на использование спе-
циализированных конденсаторов связи с эпоксидно-слюдяной
изоляцией, имеющих много большую стоимость.
Принцип работы такой системы мониторинга с минималь-
ным количеством датчиков достаточно подробно описан выше
при рассмотрении общих вопросов, поэтому повторяться мы не
будем. Просто напомним, что отстройка от импульсов «внеш-
них» помех в этой системе осуществляется, в основном, по
методу «time of arrival» и с использованием технических или
алгоритмических средств разборки высокочастотных импуль-
сов. Обычно это очень эффективный метод отстройки.
С этой целью сравнивается время прихода импульсов от
любого конденсатора связи и отдатчика, установленного в
цепи заземления экрана кабеля. В любом случае если сигнал
сдатчика марки «RFCT» придет раньше, чем с конденсатора
связи, можно говорить о том, что это импульс высокочастот-
ной помехи, наведенной в измерительную схему «извне», по
питающей кабельной линии. Использовать такой высоко-
частотный импульс в анализе состояния изоляции обмотки
статора нельзя.
Если же импульс возник в обмотке статора, то на датчик
марки «RFCT» он попадет тол ько после того, как замкнется по
изоляции кабельной линии на экран, пройдя при этом некото-
рый путь по кабелю, получив при этом временную задержку.
По сравнению с импульсом от конденсатора связи «СС»
импульс с датчика марки «RFCT» будет запаздывать на не-
которое время.
На рисунке 4.8. приведен возможный вариант конфигу-
рации измерительной схемы с набором первичных датчиков
для системы мониторинга частичных разрядов в статоре тур-
богенератора «средней» мощности. Это более сложная и бо-
лее информативная конфигурация системы мониторинга,
предназначенная для контроля изоляции обмотки статора по
частичным разрядам, чем приведенная на рисунке 4.7.
Всего в конфигурации этой схемы измерения и монито-
ринга частичных разрядов в обмотке статора для повышения
общей информативности используется до 10 высокочастотных
сигналов частичных разрядов, получаемых от 8 первичных
датчиков трех различных типов и марок. Это:
- В первую очередь, это 6 конденсаторов связи, смонти-
рованных с двух сторон питающего шинопровода (кабеля)
высокого напряжения.
- Один трехфазный датчик марки «DRTD-З», предназна-
ченный для контроля частичных разрядов в пазах статора при
помощи термометров сопротивления.
- Один высокочастотный измерительный трансформатор
тока марки «RFCT-4» для контроля частичных разрядов в за-
земляющей жиле экрана высоковольтного соединительного
кабеля. Если генератор подключен к высоковольтной сети при
помощи шинопровода, тогда вместо датчика марки «RFCT-4»
используется другой датчик, марки «RFCT-2», включаемый в
изоляционный разрыв между корпусами генератора и экрана
шинопровода. Назначение датчика при этом не меняется.
Рис. 4.8. Схема установки датчиков частичных разрядов для
мониторинга состояния изоляции статора электродвигателя.
При помощи «первых» трех измерительных конденсаторов
связи, подключенных к входным зажимам обмотки статора,
регистрируются импульсы частичных разрядов, возникшие в
той части обмотки, которая «примыкает» к входным зажимам.
Три дополнительных конденсатора связи монтируются или на
противоположном конце высоковольтного соединительного
кабеля, или же внутри соединительного шинопровода на рас-
стоянии в несколько метров от контролируемого генератора.
Назначение этих конденсаторов связи понятно — они пред-
назначены для «отстройки» от импульсов высокочастотных по-
мех, поступающих из внешней части энергосистемы. При этом
используется метод «time of arrival», аппаратно реализованный
в приборе системы мониторинга. Сравнение времени прихо-
да импульсов в каждой фазе генератора позволяет выявлять
место возникновения разрядов, или они возникают внутри
обмотки статора, и тогда мы включаем их в наш анализ, или
же они приходят к обмотке статора извне из питающей сети,
и тогда они нам неинтересны.
В крупных турбогенераторах, статоры которых имеют боль-
шие линейные габариты, затухание импульсов частичных
разрядов в пазах статора может быть очень большим, до 100
раз, в результате чего оценка состояния изоляции при помощи
конденсаторов связи может быть выполнена некорректно. Ве-
роятна недооценка опасности дефектов в изоляции, возникших
в глубине обмотки. Применением для регистрации частичных
разрядов только конденсаторов связи допустимо только при
оценке состояния изоляции статоров небольших высоковольт-
ных двигателей. Причины такого ограничения достаточно
подробно описываются в данном руководстве выше.
Для повышения достоверности измерений, точнее говоря,
для измерения частичных разрядов, возникших «в глубине
обмотки статора», на удалении от входных зажимов, в схе-
ме на рисунке 4.8. применен трехканальный датчик марки
«DRTD-З». Если быть точнее, то это не датчик, это устройство
для выделения из цепи измерения температуры обмотки, ис-
пользуемых в качестве электромагнитных антенн, высокоча-
стотных сигналов частотных разрядов. Это устройство согласо-
вания включается в разрыв цепи термометров сопротивления
типа «Ptl00» и монтируется внутри или рядом с клеммной
коробкой выводов термосопротивлений на корпусе двигателя.
Установка этих датчиков не оказывает влияния на точность
измерения температуры обмотки статора.
Таких датчиков может быть смонтировано от одного до
четырех, в зависимости от размеров статора и количества
вложенных термосопротивлений. В итоге изоляции обмотки
статора контролируется прямо в пазах за счет датчиков, равно-
мерно распределенных по расточке статора. Применение таких
датчиков, электромагнитных антенн, бывает достаточно и для
надежного выявления возникающих в изоляции дефектов, и
для локализации места их возникновения.
Как мы уже писали выше, использование термометров со-
противления в качестве антенн электромагнитного излучения
частичных разрядов возможно всегда, но не всегда эффективно.
В определенных случаях, которые мы уже перечисляли выше,
в соответствующем разделе данного руководства высокоча-
стотный сигнал от таких антенн очень мал, он сильно затухает
в соединительных проводах от термометров сопротивления
до датчиков частичных разрядов «DRTD-З». В этом случае в
некоторые пазы пакета статора под изоляционный пазовый
клин приходится монтировать специализированные антенны
контроля электромагнитного излучения.
Чаще всего эти антенны представляют собой полоски по-
крытого фольгой обычного стеклотекстолита, на которых
можно формировать профили антенн. Иногда в паз последова-
тельно на расстоянии от 0,4 метра устанавливают две антенны.
В этом случае можно определить направление движения им-
пульса по пазу — «из статора» или «в статор», используя метод
«time of arrival». Такую задачу также иногда приходится решать,
проводя локализацию места возникновения дефекта.
Монтаж таких электромагнитных антенн в пазах являет-
ся сложной и трудоемкой процедурой, так как обязательно
требует очень больших подготовительных работ. Для их мон-
тажа генератор необходимо вывести из работы и, чаще всего,
демонтировать ротор из статора для обеспечения доступности
к пазам. Обычно такие работы проводят во время плановых
ремонтов генераторов.
Для самых больших турбо- и гидрогенераторов конфи-
гурацию системы мониторинга изоляционных параметров
усложняют, добавляя в нее дополнительные, информативные
функции контроля различных изоляционных систем гене-
ратора. Чаще всего такое усложнение системы мониторинга
изоляции является оправданным шагом. С одной стороны,
это обусловлено значительным увеличением мощности и га-
баритов объекта контроля, а с другой стороны, существенно
большей стоимостью и технологической значимостью мощных
генераторов.
Схема монтажа первичных датчиков, предназначенных
для контроля состояния всех изоляционных систем мощного
турбогенератора, приведена на рисунке 4.9.
В состав системы мониторинга входят следующие
датчики:
Рис. 4.9. Схема установки «полного» комплекта датчиков
для мониторинга состояния изоляции статора и ротора
мощного генератора.
- Конденсаторы связи марки «СС», 6 штук. Они предназна-
чены для непосредственного измерения частичных разрядов
в обмотке статора и для отстройки от помех, приходящих в
контролируемый генератор извне. Эта функция оставлена
неизменной, как и в генераторах меньшей мощности.
- Датчики для контроля частичных разрядов в пазах генера-
тора. Это могут быть датчики типа «DRTD-З», использующие
в качестве антенн термометры сопротивления, стандартно
имеющиеся в обмотке статора. Или же это могут быть спе-
циализированные антенны, устанавливаемые в пазы допол-
нительно, во время проведения ремонтов. Количество таких
датчиков, монтируемых на генераторе, зависит от особенностей
конструкции контролируемого генератора и целевой функции
системы мониторинга.
- Датчики вибрации (стандартные акселерометры) марки
«SV» (Slot Vibration), предназначенные для монтажа на внеш-
ней поверхности пакета стали статора. Эти датчики обычно
монтируются на двух сторонах пакета стали при анализе спек-
тров вибрационных сигналов, регистрируемых в различных
технологических режимах работы генератора. Сравнительный
анализ этих вибрационных спектров дает возможность оце-
нивать подвижность секций обмотки статора в пазах и в зоне
лобовых частей, контролировать качество крепления пакета
активной стали внутри корпуса генератора. Информация от
этих датчиков также полезна для проведения общей оценки,
проводимой для оценки остаточного технического ресурса
всего генератора.
- Датчики вибрации лобовых частей «FPV» (Front Part
Vibration). Это специальные лазерные датчики вибрации,
допускающие установку на токоведущих частях, в условиях
сильных магнитных полей. Датчики не имеют металлических
элементов и подключаются к прибору системы мониторинга
при помощи оптического кабеля, что повышает надежность
их работы на токоведущих частях. При помощи этих датчиков
осуществляется контроль качества крепления лобовых частей
обмотки в торцевых зонах статора. Общее количество этих дат-
чиков вибрации зависит от типа и мощности контролируемого
генератора. Оно максимально для крупных гидрогенераторов,
у которых количество таких датчиков, установленных на обоих
торцах статора, может достигать 32.
- Датчик регистрации пульсаций радиальной составляю-
щей магнитного потока в зазоре генератора, имеющий марку
«AGS» (Air Gap Sensor). При помощи этого датчика осущест-
вляется измерение и контроль пульсаций магнитного потока
в воздушном зазоре генератора, возникающих от модуляции
магнитного потока зубцами ротора. На основании математи-
ческого анализа этих пульсаций можно определить особен-
ности состояния изоляции обмотки возбуждения генератора,
находящейся на роторе.
При необходимости данная схема установки датчиков, ча-
стичных разрядов и других технологических параметров может
быть модернизирована при помощи установки и других допол-
нительных датчиков. Необходимость в этом возникает в слу-
чаях, когда анализируется генератор, имеющий значительные
конструктивные отличия, и при необходимости комплексного
контроля оборудования.
Примером комплексного подхода к контролю изоляции
комплекса высоковольтного оборудования может явиться не-
обходимость контроля изоляции высоковольтного оборудова-
ния энергоблока электростанции, состоящего из генератора,
шинопровода, трансформатора и высоковольтного выключа-
теля. Такая система мониторинга состояния изоляции энер-
гоблока выпускается фирмой «DIMRUS» и имеет торговую
марку «PGU-DM» (Power Generator Unit — Diagnostics Monitor).
Для получения более подробной информации по этой системе
необходимо обратиться на фирму или на сайт www.dimrus.ru.
Одна система «PGU-DM» имеет существенно более низ-
кую цену, чем совокупность отдельных систем мониторинга,
предназначенных для контроля состояния изоляции генера-
тора, шинопровода, блочного трансформатора и выключате-
ля. Благодаря комплексному подходу, такая система обладает
расширенными функциями.
В заключение разговора о системах мониторинга электриче-
ских машин еще раз напомним, что мы рассматриваем только
подсистемы мониторинга состояния изоляции генератора и
электродвигателей. Все другие подсистемы мониторинга со-
стояния электрических машин — контроля температурных
режимов, вибрации опорных подшипников, технологиче-
ских режимов работы — в данном случае не входят в сферу
наших интересов и поэтому из рассмотрения полностью
исключены.
4.4. Калибровка схем измерения частичных
разрядов в электрических машинах
Правильная оценка уровня частичных разрядов в изоляции
высоковольтного оборудования может быть выполнена только
после проведения процедуры калибровки измерительной схемы
с учетом затухания внутри контролируемого объекта. Для про-
ведения калибровки входных цепей необходимо использовать
калибровочный генератор частичных разрядов марки GKI-2
или другой подходящий по своим свойствам.
Калибровочные генераторы практически всегда входят в
состав поставки переносных приборов регистрации частичных
разрядов. Это оправдано, так как перед каждым измерением
частичных разрядов переносным прибором в каждом новом
оборудовании калибровку измерительной схемы нужно прово-
дить обязательно. В состав оборудования систем мониторинга
калибровочный генератор обычно не входит, так как процедуру
калибровки измерительной схемы проводят только один раз,
непосредственно перед включением системы мониторинга в
работу.
Для определения уровня затухания частичных разрядов
в статоре электрической машины калибровку желательно
проводить с «двух сторон» обмотки статора. В первом случае
(см. рисунок 4.10.) частичные разряды следует инжектировать
в обмотку со стороны входных клемм обмотки, а во втором
случае — с другой стороны, от общей точки обмотки (чаще
всего это средняя точка «звезды» обмотки).
Рис. 4.10. «Двухсторонняя» калибровка схемы измерения
частичных разрядов в обмотке статора при помощи
калибровочного генератора марки «GKI-2».
Такая двойная калибровка измерительной схемы учитыва-
ет весь реальный диапазон возможных мест возникновения
частичных разрядов в изоляции обмотки статора. Благодаря
этому, появляется реальная возможность наиболее достоверно
оценить максимально возможный уровень затухания импуль-
сов частичных разрядов внутри обмотки. Это позволит заранее
на этапе создания конфигурации измерительной схемы оценить
погрешность определения амплитуды импульсов частичных
разрядов, возникающую из-за использования ограниченного
количества датчиков частичных разрядов.
В практике измерения частичных разрядов существуют
случаи, когда невозможно подключить калибровочный гене-
ратор к общей точке обмотки статора, а можно подключить
только к входным зажимам обмотки. Обычно это объясняется
конструктивными особенностями выполнения обмотки ста-
тора. Еще более сложным случаем для калибровки является
вариант, когда фазы обмотки статора на заводе изготовителе
были соединены не по схеме «звезда», а по схеме «треуголь-
ник». Во всех этих случаях процедуру калибровки приходиться
модифицировать.
В таких случаях приходится применять калибровку из-
мерительной схемы при помощи инжектирования тестовых
импульсов в лобовые части обмотки статора. Часть лобовых
частей обмотки статора поверх изоляции секций и лобовых
частей обматывают фольгой. Фольгу необходимо аккуратно
«обжать» вокруг лобовых частей, обеспечивая минимальный
воздушный зазор.
Центральный вывод кабеля от калибровочного генератора
GKI-2 подключается к фольге, а экран кабеля от генератора
заземляется, если нужно, с использованием дополнительного
удлиняющего провода. Далее производится инжектирование
импульсов в обмотку статора электрической машины через
емкость, созданную при помощи фольги между генератором
и обмоткой статора. Чем больше площадь соприкосновения
фольги с обмоткой, тем больше будет проходная емкость такого
конденсатора, тем лучше тестовые импульсы будут инжекти-
роваться в обмотку.
Необходимую площадь фольги можно оценить при помощи
простых соотношений. При зазоре в 5 мм емкость плоского
конденсатора площадью один квадратный дециметр (с воздуш-
ным диэлектриком) составит, примерно, 18 пикофарад, если
же диэлектрик будет эпоксидный, то емкость составит около
70 пикофарад. Таким образом, можно условно считать, что
для нормальной передачи импульсов от тестового генератора
в обмотку статора емкости достаточно (активной) площади
фольги в 5-10 квадратных дециметров.
В заключение по этому вопросу необходимо еще раз на-
помнить читателю, что параметры калибровочного импульса
должны максимально точно соответствовать параметрам им-
пульсов частичных разрядов, которые мы предположительно
планируем зарегистрировать в обмотке статора контролируе-
мой электрической машины.
Предполагаемый частотный диапазон регистрируемых
частичных разрядов зависит, в первую очередь, от свойств
электромагнитной среды вокруг изоляции обмотки и не в
меньшей степени от частотных свойств регистрирующей ап-
паратуры. Если по каким-либо причинам частотные свойства
зарегистрированных импульсов частичных разрядов будут
отличаться от параметров использованных калибровочных
импульсов, то калибровку следует повторить.
При повторной калибровке измерительной схемы следует
обязательно использовать тестовые импульсы, максимально
близкие по своим частотным свойствам к импульсам реги-
стрируемых частичных разрядов.
5. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ИЗОЛЯЦИИ КОММУТАЦИОННОГО
И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ, КРУЭ И КРУ
Вопросы контроля состояния изоляции в элегазовом обо-
рудовании в настоящее время являются весьма актуальны-
ми. Это автоматически вытекает из самого наличия в таком
оборудовании особой изолирующей среды, так называемого
элегаза, являющегося химическим соединением с формулой
«SF6 — шести-фтористая сера».
Основной причиной использования элегаза в высоковольт-
ном оборудовании является его высокая изоляционная стой-
кость. Пробивное напряжение элегаза примерно в шесть раз
выше, чем у воздуха, т.е. сразу же становится очевидным, что
напряженности электрического поля внутри элегазового обо-
рудования в существенно выше, чем у оборудования с обычной
воздушной изоляцией.
Элегазовое оборудование по своим конструктивным осо-
бенностям является предрасположенным к возникновению
частичных разрядов в изоляции. Кроме обычных причин воз-
никновения различных дефектов в изоляции, встречающихся
в оборудовании с твердой или масляной изоляцией, в элега-
зовом оборудовании существует и специфическая причина,
свойственная только такому оборудованию.
Любая утечка из внутренних объемов оборудования элегаза,
а это всегда потенциально возможно в герметически закрытых
емкостях с избыточным давлением, приводит к снижению
электрической прочности изоляции. Результатом такого сни-
жения давления элегаза, а можно даже сказать первым при-
знаком этого, будет появление частичных разрядов различной
природы возникновения.
Справедливости ради следует сказать, что в целом элега-
зовое оборудование отличается очень высокой надежностью,
низкой аварийностью и малыми затратами на обслуживание.
Все «недостатки» элегазового оборудования, которые мы только
что отметили, на практике сказываются достаточно редко.
Элегазовое оборудование работает практически во всех
классах напряжения, включая 500 кВ и выше. Кроме того, чаще
всего элегазовое оборудование поставляется комплексно, когда
в одном устройстве, например, единой подстанции интегри-
руется несколько электротехнических аппаратов, входящих
в общую технологическую цепочку обеспечения надежного
энергоснабжения.
В настоящее время системы периодического контроля и
непрерывного мониторинга уровня и распределения частич-
ных разрядов в элегазовом оборудовании находят достаточно
большое применение. Посвятим этому вопросу целый раздел
нашей работы, причем, рассмотрение материала будем вести
обзорно, акцентируя внимание на общих вопросах.
5.1. Измерение частичных разрядов в элегазовом
оборудовании при помощи акустических
датчиков
Наверное, это самый первый способ регистрации импульсов
частичных разрядов, примененный для контроля состояния
изоляции в элегазовом оборудовании. В этом способе диа-
гностики при помощи одного или нескольких акустических
датчиков, установленных на поверхности бака, производит-
ся оперативная оценка технического состояния изоляции
элегазового оборудования, базирующаяся на основе анализа
акустической активности электрических разрядов внутри обо-
рудования.
Методически этот способ контроля состояния изоляции
прост, понятен и логичен. Если даже «невооруженное» челове-
ческое ухо слышит щелчки, сопровождающие электрические
разряды внутри элегазового оборудования, то почему это же не
может сделать акустический датчик с набором соответствую-
щей современной электроники и эффективным программным
обеспечением?
Именно на основе такой, понятной и простой, мотивации
создавались первые системы контроля состояния изоляции
элегазовых выключателей и подстанций как переносные, так
и непрерывного мониторинга. Некоторые из этих систем все
еще работают и в настоящее время, хотя и имеют достаточно
большие проблемы с «внешними акустическими помехами»,
например, от проезжающего рядом автотранспорта.
Для измерения акустических импульсов от частичных раз-
рядов в изоляции используются различные стационарные или
переносные акустические датчики. Для этих целей очень часто
используют обычные акустико-эмиссионные пьезоэлектри-
ческие датчики, очень хорошо подходящие для этих целей.
Такие датчики обычно уже имеют универсальное магнитное
крепление, что позволяет легко монтировать их на металли-
ческой поверхности элегазовых аппаратов, которую иногда
для улучшения чувствительности смазывают специальными,
акустически проницаемыми составами.
Диапазон частот, в котором при помощи акустических дат-
чиков производится регистрация импульсов от частичных
разрядов, стандартно ограничивается полосой в 30—300 кГц.
Это связано с полосой пропускания акустико-эмиссионных
датчиков. Непосредственно в зоне акустической слышимости,
доступной человеческому уху, что обычно составляет менее
20 кГц, регистрацию частичных разрядов проводят достаточно
редко. Тем не менее, нужно отметить, что некоторые примеры
использования обычных направленных микрофонов, предна-
значенных для регистрации частичных разрядов в различном
«баковом оборудовании», куда относится и элегазовое обо-
рудование, нам известны.
Практически полностью процедура периодических изме-
рений частичных разрядов в элегазовом оборудовании соот-
ветствует аналогичной процедуре для маслонаполненного
оборудования, например, для силовых маслонаполненных
трансформаторов. Она также предполагает на первом этапе
диагностики обзорное обследование технического состоя-
ния оборудования при помощи одноканального прибора или
одного канала многоканального прибора.
После выявления на поверхности бака элегазового обо-
рудования зоны, в которой с максимальной интенсивностью
удается зарегистрировать акустические импульсы от частичных
разрядов, которая является наиболее близкой к зоне дефекта в
изоляции, можно проводить дополнительные обследования,
имеющие целью пространственно локализовать зону возник-
новения дефекта в изоляции.
Для этой цели, для проведения локализации места воз-
никновения дефекта в изоляции элегазового оборудования,
достаточно применения двухканального измерительного при-
бора или осциллографа. Просто напомним, что для локации
зоны дефекта в другом оборудовании, например, в изоляции
силовых трансформаторов, необходима четырехканальная
измерительная аппаратура.
Это различие объясняется достаточно просто. В силовом
трансформаторе необходимо проводить пространственную,
трехмерную локацию места возникновения дефектов, так как
зона возможного дефекта может находиться в любой внутрен-
ней точке внутри бака трансформатора. Именно поэтому не-
обходим синхронный анализ времени прихода четырех аку-
стических сигналов. Только в этом случае возможно решение
«объемной» задачи локации места дефекта.
В элегазовом оборудовании все выглядит несколько проще,
проблемы с частичными разрядами могут возникать только
на токоведущих шинах, проходящих по центру корпуса обо-
рудования, или на экранах. Для решения такой практически
«плоской» пространственной задачи достаточно только двух
синхронно зарегистрированных акустических сигналов ча-
стичных разрядов.
На рисунке 5.1. схематически показано, как производится
акустическая локация места возникновения дефекта в изоля-
ции, внутри элегазового оборудования. Она производится по
величине разницы времени прихода импульсов к двум акусти-
ческим датчикам AS1 и AS2, установленным вдоль оборудова-
ния. Именно разница эта времени At показывает, на сколько
и в каком направлении смещена зона дефекта относительно
средней линии, проходящей между двумя акустическими дат-
чиками.
Эта средняя линия зоны чувствительности двух датчиков
на нашем рисунке 5.1. показана пунктиром. Поскольку дефект
в изоляции и возник слева от средней линии, ближе к датчику
AS1, то и на графиках справа акустический сигнал достигает
раньше этого же датчика на время, равное At. Дальнейшая
математическая обработка акустических сигналов с целью
определения места возникновения дефекта физически проста и
уже не нуждается в наших дополнительных комментариях.
Рис. 5.1. Использование двух акустических датчиков для
локализации зоны дефекта внутри элегазового оборудования.
После того, как мы определились с процедурой измере-
ния и локации частичных разрядов, самое время попытаться
проанализировать достоинства и недостатки использования
акустических датчиков в элегазовом оборудовании.
Достоинства акустической регистрации импульсов частич-
ных разрядов понятны и одинаковы для приложений этого
метода ко всем типам высоковольтного оборудования.
Повторим их:
- Метод прост, физически понятен, не требует применения
специального математического аппарата для своего практи-
ческого приложения.
- Аппаратура для акустической регистрации импульсов
частичных разрядов недорога, несложна, надежна. Акусти-
ческие датчики легко монтируются на поверхности метал-
лических корпусов элегазового оборудования, даже без его
отключения.
Более интересными и более весомыми по сравнению с до-
стоинствами являются недостатки акустической регистрации
импульсов частичных разрядов.
Основных недостатка два, но они очень важны:
- Низкая помехозащищенность систем акустической реги-
страции частичных разрядов. Абсолютно все внешние фак-
торы, начиная с простого присутствия дежурного персонала
на подстанции, заканчивая пролетающими над подстанцией
самолетами, оказывает влияние на работу акустических систем
измерения частичных разрядов, приводит к «зашумлению»
сигналов от частичных разрядов. Говоря техническим язы-
ком, это все можно сформулировать кратко — акустический
метод регистрации частичных разрядов имеет очень низкую
помехозащищенность.
- Сравнительно низкая чувствительность акустических дат-
чиков к высокочастотным импульсам от частичных разрядов,
плюс сильное затухание акустических сигналов в оборудовании
сложной формы. По этой причине в системах акустического
мониторинга частичных разрядов в элегазовом оборудовании
приходится устанавливать большое количество первичных
акустических датчиков, что резко поднимает стоимость всей
системы мониторинга и снижает надежность ее работы.
Совокупность этих двух факторов приводит к тому, что в
настоящее время монтаж систем акустического мониторинга
состояния изоляции элегазового оборудования практически
не производится. Поэтому мы при написании этой главы не
стали приводить никакой дополнительной информации по
организации стационарного контроля состояния изоляции,
основанной на использовании акустических датчиков.
В то же время следует отметить, что переносные системы
регистрации акустических сигналов при помощи датчиков,
монтируемых на поверхности элегазового оборудования, на
практике применяются достаточно часто. Это обусловлено их
доступностью, простотой временного (магнитного) монтажа
акустических датчиков и особенно простотой интерпретации
получаемых результатов.
На это большое влияние оказывает то, что это перенос-
ное акустическое оборудование регистрации частичных раз-
рядов является универсальным, т.е. его можно использовать
для контроля состояния изоляции практически всех типов
высоковольтного оборудования. Эта универсальность при-
менения является определенным достоинством переносных
акустических систем, расширяющим диагностические воз-
можности, как самого прибора, так и службы диагностики,
использующей его.
5.2. Измерение частичных разрядов в элегазовом
оборудовании при помощи емкостных
датчиков и UHF-антенн
Сразу же определимся, что, несмотря на наличие в названии
раздела ссылки на «емкостные датчики», здесь речь пойдет о
регистрации частичных разрядов только при помощи датчиков,
работающих в UHF-диапазоне частот. Соответственно, под
понятием «емкостного датчика» мы будем понимать датчик
несколько другого типа, чем «измерительный конденсатор
связи», который работает в HF-диапазоне частот и который
мы рассматривали раньше, применительно к диагностике
состояния изоляции электрических машин. В данном раз-
деле если и будет идти речь о «емкостном датчике», то будет
подразумеваться несколько иной датчик, бесконтактный, ра-
ботающий в UHF-диапазоне частот.
5.2.1. Датчики для регистрации импульсов
частичных разрядов в элегазовом оборудовании,
работающие в UHF-диапазоне частот.
Как обычно, рассмотрение способов и средств регистрации
частичных разрядов в конкретном типе высоковольтного обо-
рудования начнем с начала процедуры проведения диагности-
ки», т.е. с описания наиболее часто используемых с этим типом
оборудования первичных датчиков частичных разрядов.
Для электромагнитной регистрации импульсов от частич-
ных разрядов, возникающих в изоляции элегазового оборудо-
вания, большого разнообразия в выборе первичных датчиков
нет. Обычно используются разновидности специализирован-
ных первичных датчиков только двух типов, работающих в
UHF-диапазоне частот. Датчики других типов в таком обо-
рудовании практически не используются.
Для нас интересными являются:
- «Внутренние» емкостные датчики частичных разрядов
типа «ACS» (Antenna — Capacitor Sensor), монтируемые внутри
элегазового оборудования, рассказ об особенностях названия
которых мы уже начали чуть выше.
- «Внешние» электромагнитные антенны различных типов,
работающие в UHF-диапазоне частот, монтируемые на по-
верхности элегазового оборудования или на некотором удале-
нии от него. Обычно это датчики специальной конструкции,
предназначенные только для использования с элегазовым
оборудованием.
Рассмотрение начнем с емкостных датчиков, монтируе-
мых внутри элегазового оборудования. Внешний вид одного
из вариантов исполнения такого емкостного датчика, марки
«ACS», производства фирмы «DIMRUS», и способ его монтажа
на контролируемом элегазовом оборудовании иллюстрируются
на рисунке 5.2.
Датчик монтируется на внутренней стороне крышки техно-
логического или монтажного люка, уже имеющегося в данном
оборудовании. В целях максимальной безопасности внешняя
поверхность емкостного датчика должна быть обязательно
Рис. 5.2. Внешний вид и способ монтажа датчиков «ACS»
внутри элегазового оборудования.
На рисунке слева: 1 — токоведущая шина;
2 — корпус оборудования; 3 — крышка люка;
4 — встроенный емкостный датчик.
Справа — фото датчика марки «ACS».
заглублена внутрь от внутренней образующей поверхности
трубы. Это позволяет соблюсти внутренние изоляционные
промежутки внутри оборудования, а также уменьшить воз-
можность электрического пробоя или разряда на корпус дат-
чика.
С другой стороны, в целях обеспечения максимальной
чувствительности к импульсам частичных разрядов датчик
должен быть смонтирован максимально близко к токоведущей
шине. Чем больше внешняя поверхность датчика удалена на-
ружу от внутренней поверхности корпуса (трубы), тем ниже
будет его реальная чувствительность, и тем уже будет зона
«ответственности» датчика за состояние изоляции внутри
оборудования.
Итогом таких противоречивых требований к величине «за-
глубления» датчика внутрь оборудования от внутренней по-
верхности трубы является то, что обычно монтаж емкостного
датчика производится с небольшим заглублением (удалением
от токоведущей шины) на 1,5—2,0 мм от внутренней поверх-
ности корпуса элегазового оборудования. Это оптимальное
расстояние, обеспечивающее приемлемую безопасность и
чувствительность датчика. Но даже и при таком заглублении
приходится принимать специальные меры по защите входных
цепей измерительного прибора от высокочастотных импуль-
сов большой амплитуды, которые возникают в элегазовом
оборудовании.
Из графической информации, приведенной на рисунке 5.2.,
достаточно хорошо видно, что этот встраиваемый датчик по
своей конструкции и принципу действия может называться как
емкостным датчиком, так и дисковой антенной. Мы не будем
принимать участия в этой дискуссии, так как это касается
только формального названия датчика, и что обычно связано
с особенностями продукции, производимой каждой фирмой.
Читатель также может называть этот датчик по своему усмо-
трению, как антенной, так и емкостным датчиком, насколько
это ему покажется целесообразным.
Понятно, что такой емкостный датчик (мы и далее будем
называть его так), исходя из особенностей его монтажа внутри
оборудования, всегда является предустановленным. Это вполне
понятно, так как монтаж емкостного датчика возможен только
на отключенном и «вскрытом» оборудовании и всегда сопря-
жен с достаточно большими техническими трудностями и
потерями изолирующего газа. Нельзя просто так подойти даже
к отключенному оборудованию и оперативно смонтировать
этот датчик частичных разрядов. Оборудование, находящееся
под избыточным давлением элегаза, необходимо будет вскры-
вать, что далеко не просто, учитывая «экологически вредные»
свойства элегаза.
Зона чувствительности каждого емкостного датчика (или
дисковой антенны?) достаточно невелика, связана с «прямой
видимостью» зоны дефекта. Обычно она ограничивается одним
внутренним объемом секции элегазового оборудования, ино-
гда может захватить соседние объемы. Это много и мало, все
зависит от конкретной диагностической ситуации и от техно-
логической важности как всего контролируемого элегазового
оборудования, так и конкретно контролируемого объема.
Емкостный датчик типа «ACS» имеет очень высокую поме-
хозащищенность, так как смонтирован внутри металлического
бака, который экранирует его от всех внешних помех.
Рассмотрим второй тип датчиков частичных разрядов, ис-
пользуемых для диагностики элегазового оборудования —
внешних электромагнитных антенн. Некоторая информация
об этих антеннах приведена на рисунке 5.3.
Рис. 5.3. Внешний вид и способ монтажа датчиков марки
«AES» на внешней поверхности элегазового оборудования.
На рисунке: 1 — токоведущая шина;
2 — корпус оборудования;
3 — изоляционная прокладка;
4 — внешний электромагнитный датчик.
На нем показана фотография внешнего датчика частичных
разрядов производства фирмы «QUALITROL», а также про-
иллюстрированы особенности его монтажа применительно
к регистрации частичных разрядов в изоляции элегазового
оборудования. Датчики аналогичной конструкции произво-
дятся и другими фирмами, в том числе марки «AES» (Antenna
Electromagnetic Sensor) производства фирмы «DIMRUS».
Датчик типа «AES» монтируется снаружи корпуса эле-
газового оборудования в месте стыка двух конструктивных
элементов корпуса бака оборудования, имеющего трубчатую
конструкцию. Между фланцами корпусов располагается изо-
ляционная прокладка, которая проницаема для электромаг-
нитных импульсов, возникающих внутри контролируемого
оборудования.
Электромагнитная антенна, смонтированная внутри корпу-
са датчика «AES», направляется «открытой стороной» в сторону
этой изоляционной прокладки в баке и регистрирует высоко-
частотные импульсы, возникающие внутри оборудования, на
токоведущей шине и проводящих элементах, смонтированных
на ней. Импульсы от внутренних разрядов проникают в датчик
по изоляционной прокладке. От внешних электромагнитных
импульсов датчик защищен внешним экраном, являющимся
корпусом датчика. В результате таким электромагнитным
датчиком регистрируется только излучение изнутри корпуса
элегазового оборудования.
Внешние помехи могут проникнуть в такой датчик только
в одном случае, если они проникнут во внутренний объем
элегазового оборудования через ту же изоляционную про-
кладку и пролетят через весь внутренний объем элегазовой
камеры. Очевидно, что эти импульсы очень сильно затухнут,
сначала пролетая через узкую щель, противоположную ме-
сту установки датчика, а потом рассеиваясь внутри объема
элегазовой камеры. По этой причине говорят, что электро-
магнитные антенны, монтируемые на стыке двух элегазовых
объемов, имеют хорошую избирательность, мало подвержены
влиянию внешних помех.
Несмотря на кажущуюся простоту таких датчиков, они
имеют достаточно много различных конструктивных моди-
фикаций. Эти модификации различаются:
- способом крепления датчиков на оборудовании;
- формой и особенностями конструкции корпуса датчика;
- размерами чувствительного элемента, определяющими
резонансную частоту антенны, т.е. зону ее максимальной чув-
ствительности;
- наличием внутренних электромагнитных щелей различ-
ного исполнения, повышающих избирательность антенны;
- и т.д.
Важно, что все эти модификации и изменения не иска-
жают смысла и способа регистрации частичных разрядов в
изоляции элегазового оборудования при помощи внешних
антенн, поэтому оставим все эти особенности для обсуждения
разработчиками и производителями таких датчиков. Для нас
самым важным является то, что такие датчики монтируются
на поверхности баков элегазового оборудования и не требуют
какой-либо предварительной разборки оборудования.
5.2.2. Измерение частичных разрядов при помощи
переносных приборов.
В отношении вопроса измерения частичных разрядов в
элегазовом оборудовании при помощи переносных приборов
можно сказать следующее. Базовым методом для проведения
разовых или периодических измерений частичных разрядов,
когда на элегазовом оборудовании отсутствуют предвари-
тельно установленные датчики частичных разрядов, является
акустический метод.
Причина этого вполне понятна — монтаж первичных элек-
тромагнитных датчиков является сложной процедурой, обычно
требующей вывода оборудования из эксплуатации. В то же
время установка акустических датчиков на баке элегазового
оборудования является простой и оперативно выполняемой
процедурой, даже на работающем оборудовании. Особенно-
сти применения акустической системы контроля частичных
разрядов в изоляции элегазового оборудования мы уже рас-
сматривали выше.
В данном разделе мы будем рассматривать только особен-
ности применения метода регистрации сигналов от частичных
разрядов в изоляции элегазового оборудования в диапазоне
UHF. Как мы уже говорили выше, это можно выполнить толь-
ко с использованием заранее смонтированных, специальных
электромагнитных датчиков частичных разрядов и в случае
реализации системы периодического мониторинга состояния
изоляции и переносных приборов регистрации частичных
разрядов.
Как мы также уже говорили выше, для регистрации UHF-
импульсов частичных разрядов в элегазовом оборудовании
используются датчики двух типов. Встроенные внутрь обо-
рудования емкостные датчики частичных разрядов обычно
монтируются при изготовлении элегазового оборудования на
заводе. Внешние электромагнитные датчики частичных раз-
рядов — антенны могут быть успешно смонтированы на элега-
зовом оборудовании, уже находящемся в эксплуатации.
Регистрация частичных разрядов в элегазовом оборудо-
вании, проводимая при помощи датчиков UHF диапазона
частот — один из немногих практических случаев, когда для
регистрации импульсов частичных разрядов можно исполь-
зовать обычный цифровой осциллограф, желательно двухка-
нальный. Естественно, его технические возможности должны
соответствовать необходимому частотному диапазону изме-
рения частичных разрядов, и он должен обладать памятью
необходимого объема для сохранения формы и параметров
регистрируемых высокочастотных импульсов.
С помощью этого цифрового осциллографа можно зареги-
стрировать импульсы частичных разрядов в изоляции элегазо-
вого оборудования, определить угловую фазу возникновения
частичного разряда. При помощи специальной математической
обработки сигналов можно в самом приборе или передав дан-
ные в компьютер даже определить тип дефекта в изоляции
элегазового оборудования, используя стандартные образы
дефектов. Используя синхронную регистрацию импульсов
по двум каналам, можно уверенно провести локацию места
возникновения дефекта в изоляции, используя графическую
информацию с экрана осциллографа о разности прихода им-
пульсов.
Возможность применения осциллографа объясняется одной
простой и очень важной причиной, а именно высокой поме-
хозащищенностью используемых в элегазовом оборудовании
датчиков частичных разрядов, имеющих хорошую экранировку
от большинства наведенных помех. В элегазовом оборудовании
нет необходимости проводить сложные аппаратные или алго-
ритмические разборки импульсов по нескольким каналам, как
это приходится делать при регистрации импульсов частичных
разрядов в оборудовании других типов.
В качестве примера, когда уровень помех очень велик, мож-
но упомянуть регистрацию частичных разрядов в силовых
трансформаторах, где уровень коронных разрядов может пре-
вышать уровень частичных разрядов в сотни и тысячи раз.
Или можно вспомнить регистрацию частичных разрядов в
кабельных линиях (кабельных сборках), где очень велик уро-
вень взаимно наведенных помех.
Пусть не обижаются на нас практические специалисты,
занимающиеся мониторингом и диагностикой состояния изо-
ляции элегазового оборудования по уровню и распределению
частичных разрядов, но эта задача является одной из самых
простых, решаемых данным методом - определение состояния
изоляции на основании регистрации частичных разрядов.
Причина этого названа уже не раз - это низкий уровень на-
веденных помех, которые обычно затрудняют регистрацию
высокочастотных импульсов частичных разрядов в изоляции
оборудования других типов.
Для получения достоверного диагностического заключе-
ния о состоянии изоляции элегазового оборудования необ-
ходимо обоснованно определиться с необходимым набором
первичных датчиков, правильно их смонтировать, корректно
провести регистрацию импульсов частичных разрядов. Сама
же процедура оценки интенсивности частичных разрядов,
определения типов дефектов в изоляции близка к стандартной
процедуре анализа состояния высоковольтной изоляции, по
сложности очень близкой к решению учебной задаче на курсах
диагностов.
Хотя, если стараться говорить корректно, и в изоляции эле-
газового оборудования встречаются и очень сложные случаи,
когда диагносту приходится максимально использовать все
свои знания об особенностях проявления частичных разря-
дов. Здесь придется дополнительно сказать, что практическое
отсутствие внешних помех не всегда гарантирует диагносту
получение корректного диагностического заключения. Од-
нако необходимо признать, что количество сложных случаев,
возникающих при диагностике состояния элегазового обо-
рудования по частичным разрядам, обычно невелико.
5.2.3. Системы мониторинга состояния изоляции
элегазового оборудования, работающие
в UHF-диапазоне частот.
На практике используются два типа систем мониторинга
состояния изоляции применительно к элегазовому оборудо-
ванию, которые отличаются, в основном, только аппаратным
способом опроса первичных датчиков частичных разрядов:
- Системы с последовательным опросом всех первичных
датчиков, установленных на элегазовом оборудовании.
- Системы с параллельным опросом датчиков, т.е. с син-
хронной регистрацией сигналов от первичных датчиков.
При этом, в обоих этих вариантах опроса датчиков, в си-
стемах мониторинга состояния изоляции могут быть исполь-
зованы первичные датчики частичных разрядов любого типа,
как встроенные емкостные, так и внешние электромагнитные.
Принципиально в общем методическом плане выбор типа
датчика ничего не меняет в структуре системы мониторинга
состояния изоляции элегазового оборудования.
На рисунке 5.4. показана структурная схема многоканаль-
ной системы мониторинга состояния изоляции элегазового
оборудования с последовательным опросом первичных дат-
чиков.
Рис. 5.4. Схема мониторинга элегазового оборудования
с использованием одноканального прибора и нескольких
датчиков для измерения частичных разрядов.
Система состоит из одного одноканального измеритель-
ного прибора, имеющего один измерительный канал «СЬ».
К этому измерительному каналу при помощи коммутатора
«К», тип которого не имеет принципиального значения, по-
следовательно подключаются все датчики частичных разрядов,
обозначенные на схеме «S1 — S3», смонтированных в разных
точках контролируемого элегазового оборудования. Понятно,
что реальное количество первичных датчиков в системе мо-
жет быть существенно больше, до нескольких сотен в самых
сложных системах мониторинга.
При помощи коммутатора «К» все первичные датчики по-
следовательно подключаются к измерительному каналу при-
бора. С каждого датчика производится регистрация высокоча-
стотных импульсов частичных разрядов, определяется общий
уровень электромагнитного излучения в контролируемой точке
оборудования, делается попытка выявить тип дефекта в изо-
ляции, определить возможное место его возникновения.
К достоинствам такой структуры системы мониторинга
можно отнести сравнительную дешевизну, обусловленную
наличием в приборе системы мониторинга одного измери-
тельного канала. Хотя, если быть точным, это удешевление
системы достаточно незначительно, особенно если смотреть
на фоне общей стоимости, где максимальный вклад дают пер-
вичные датчики.
Реально это снижение цены системы мониторинга изоля-
ции может составить единицы процентов. В крайнем случае,
удешевление может составить до десяти процентов. Вполне
очевидно, что это не самый принципиальный вопрос при орга-
низации мониторинга состояния оборудования, хотя, конечно,
каждый процент стоимости системы мониторинга — это всегда
реальные, часто немалые, деньги.
Мы не зря говорим о том, что упрощение системы мони-
торинга за счет использования одноканального прибора дает
некоторое, весьма сомнительное удешевление, некоторое
снижение общих затрат на организацию контроля изоляции
элегазового оборудования. У «многоканальной» системы мо-
ниторинга, но имеющей только одни измерительный канал,
есть один очень важный недостаток — в ней нет возможности за
счет внутренних технических и программных свойств системы
локализовать место возникновения частичного разряда, ко-
торый может располагаться в различных точках, разнесенных
«по длине» элегазового оборудования.
В инструкции по эксплуатации таких одноканальных си-
стем мониторинга буквально дословно пишется следующее:
«Если вы обнаружили в двух рядом расположенных точках
элегазового оборудования повышенный уровень частичных
разрядов, то вы можете провести локацию места его возник-
новения. Для этого вы должны взять двулучевой цифровой
осциллограф и одновременно (синхронно) зарегистрировать
сигналы по двум каналам от рядом расположенных датчиков,
на которых выявлена максимальная интенсивность частичных
разрядов. Затем, используя метод «time of arrival», определить,
на каком участке между этими двумя датчиками частичных
разрядов располагается зона дефекта в изоляции».
Нам кажется, что читателю все стало ясно. Вам сказали,
что поставили дешевую и эффективную систему мониторинга
изоляции. А потом, как всегда мелким текстом, написали,
что еще нужен хороший цифровой осциллограф, и система,
оказывается, не совсем автоматическая, часть процедур при-
дется делать персоналу самостоятельно. Вы будете на экране
осциллографа определять разновременность времени прихода
двух импульсов, рассчитывать место возникновения дефекта,
используя реальную скорость распределения импульсов вдоль
элегазового оборудования.
Понятно, что мы делаем чрезмерно сильный акцент на
таких «достоинствах» одноканальной системы мониторин-
га, ведь локация места возникновения дефектов в изоляции
— это, если говорить корректно, есть дополнительное диа-
гностическое свойство используемой системы мониторинга.
Может случиться так, что вам никогда и не придется брать в
руки осциллограф и проводить локацию места возникновения
дефекта в изоляции. А может быть, и придется, а может быть,
даже и не раз.
Этого недостатка лишена система мониторинга изоляции
элегазового оборудования с синхронным опросом первичных
датчиков. В ней все функции регистрации и обработки сигна-
лов, а также локации мест возникновения дефектов, полностью
автоматизированы, т.е. реализованы «внутри» системы. Для
примера, на рисунке 5.5., показана структура системы мони-
торинга такого типа.
Основным отличием технической конфигурации этой систе-
мы мониторинга элегазового оборудования является наличие
нескольких измерительных каналов. При помощи этих каналов
синхронно, т.е. одновременно, регистрируются все выходные
сигналы с датчиков частичных разрядов, смонтированных на
оборудовании. Для этой системы нет необходимости в приме-
нении осциллографов для локализации места возникновения
дефекта, это делается системой автоматически.
Рис. 5.5. Многоканальная система мониторинга с синхронным
опросом датчиков частичных разрядов.
Не менее эффективна и система мониторинга, в которой
синхронно регистрируются не все сигналы, а только входящие
в некоторую группу, относящуюся к отдельному оборудова-
нию. Группа собирается по принципу, что между сигналами
с выбранных датчиков возможно определение временного
запаздывания между регистрируемыми импульсами с исполь-
зованием классического метода «time of arrival», позволяющего
локализовать место возникновения дефекта. Если в этом нет
необходимости или же это невозможно сделать по техническим
причинам, то регистрировать такие сигналы синхронно не
обязательно.
С практической точки зрения в каждую такую, синхронно
регистрируемую группу сигналов с рядом расположенных
датчиков, может входить до шести—восьми датчиков. Больше
датчиков, расположенных в линейном измерении, вдоль одной
единицы элегазового оборудования обычно не монтируют,
хотя конечно исключения из правил бывают.
При желании для больших и сложных систем мониторинга
изоляции элегазовых объектов возможно использование более
глобальной модификации системы. Она может состоять из
большого количества распределенных и точно синхронизиро-
ванных «групповых» приборов мониторинга, объединенных в
единую систему при помощи специальных оптических линий
связи. Эта система легко может быть сконфигурирована для
любого объекта контроля. Пример такой системы показан на
рисунке 5.6.
Рис. 5.6. Многоканальная система мониторинга
с несколькими модулями синхронного опроса
датчиков частичных разрядов.
На этом рисунке показана конфигурация системы монито-
ринга применительно к элегазовому КРУ, состоящему из шести
выключателей. При помощи этих выключателей коммутиру-
ются две нагрузки, питающиеся от двух систем шин.
В представленной системе мониторинга изоляции исполь-
зованы два шестиканальных модуля мониторинга, каждый из
которых контролирует состояние цепи элегазового оборудова-
ния, относящегося к одной коммутируемой нагрузке.
Для синхронизации работы отдельных, групповых при-
боров мониторинга, повышающей общую информативность,
в этой системе синхронизируется весь процесс измерений по
всем датчикам, сколько бы их ни было. Для этого используют
один запускающий импульс, поступающий во все групповые
приборы, распределенные вдоль объекта контроля, одновре-
менно, полинии связи, генерируемый центральным прибором.
Групповых приборов в единой системе мониторинга может
быть больше сотни, что будет определяться используемым в
системе протоколом связи отдельных приборов между собой.
Эта же линия может быть использована для сбора информа-
ции от отдельных групповых приборов в общий компьютер
системы мониторинга.
Такая система позволяет решать широкий круг вопросов
в элегазовом оборудовании, элементы которого объединены
между собой сложными, параллельно-последовательными
связями. Естественно, что такая система будет дороже за счет
своей большей функциональности.
Вопрос калибровки систем мониторинга изоляции элега-
зового оборудования выносить в отдельный раздел и подробно
описывать порядок выполнения этой процедуры мы не будем.
Про нее можно сказать классическую фразу о том, что это
самый простой и самый сложный вопрос, возникающий при
измерении частичных разрядов в элегазовом оборудовании.
Она проста потому, что не имеет вариантов в своей прак-
тической реализации — тестовый генератор подключается к
токоведущей шине оборудования, затем производятся кали-
бровочные измерения параметров импульсов. Других мест
для подключения генератора в элегазовом оборудовании нет.
Понятно, что параметры калибровочного импульса должны
соответствовать параметрам ожидаемых импульсов частичных
разрядов. Если параметры регистрируемых импульсов частич-
ных разрядов будут отличаться от параметров калибровочных
импульсов, то процедуру калибровки придется повторить за-
ново, с нужными параметрами тестовых импульсов.
Сложность калибровки систем измерения частичных раз-
рядов в элегазовом оборудовании заключается в том, что ин-
жектированный в оборудование калибровочный импульс и
реальный частичный разряд в изоляции дают электромаг-
нитное излучение различной природы и происхождения. Для
калибровочного импульса мы имеем антенну в виде токове-
дущей шины элегазового оборудования, и мы регистрируем
излучение этой антенны. У «истинного» частичного разряда
электромагнитное излучение наводит возникающий в изо-
ляции точечный разряд, прямое электромагнитное излучение
от которого мы регистрируем нашими датчиками.
Эти два способа излучения и регистрации высокочастотных
импульсов имеют большие качественные и количественные
различия. Эти различия для краткости можно сформулиро-
вать так:
- При калибровке в «НР»-диапазоне частот мы регистри-
руем параметры «кажущегося частичного разряда», т.е. делаем
косвенные измерения и инжектируем косвенный тестовый
импульс.
- При калибровке в «иНР»-диапазоне частот мы регистри-
руем параметры истинного частичного разряда, т.е. мы делаем
прямые измерения. В то же время мы пытаемся инжектировать
в оборудование косвенный импульс.
Самое сложное здесь то, что это не единственный недо-
статок данного способа калибровки схемы для измерения
частичных разрядов в элегазовом оборудовании, их еще, как
минимум, два, но вышеописанное является самым важным.
Мы не будем сейчас заниматься этими «вторыми» недостатка-
ми, это только затуманит весь процесс измерения частичных
разрядов, мы оставим их «на закуску» любителям исследований
и анализа.
Скажем только одно, что если вы ошибетесь в определе-
нии истинной амплитуды частичных разрядов в элегазовом
оборудовании в четыре раза, то вам очень даже повезло — вы
опытный и знающий специалист в этой области.
Здесь же мы скажем и другое, такая погрешность не есть
повод для вашего уныния. В данной области диагностики
основными параметрами являются: наличие частичных раз-
рядов, тип и место их возникновения, наличие временного
тренда в их развитии. Повторим основную аксиому метода
контроля изоляции на основе измерения частичных разря-
дов - практически никто не знает, где находятся истинные
количественные пороги состояния для различного оборудо-
вания, они могут значительно изменяться как к различным
типам, маркам, так и даже к годам выпуска и ремонта этого
оборудования.
А если кто-то будет говорить, что он знает точные пороги
для всех типов оборудования, то не верьте ему. Чаще всего
это обычный маркетинговый ход продавца диагностического
оборудования или же простое желание выдать желаемое за
действительное, которое иногда возникает у практических
диагностов.
5.3. Комплексный подход к мониторингу частичных
разрядов в КРУ и отходящих кабельных линиях
На практике обычно КРУ и кабельные линии входят в со-
став некоторого энергетического узла, в котором сосредоточен
комплекс высоковольтного оборудования, осуществляющего
распределение и передачу электрической энергии. В состав
комплекса КРУ входят входные и выходные коммутационные
ячейки с выключателями различного типа, сборные шины. В
состав оборудования КРУ, пусть даже несколько условно, мож-
но включить также все подходящие и отходящие кабельные
линии, а также и подключенные при помощи кабельных линий
основные высоковольтные потребители — трансформаторы и
эл ектрод ви гател и.
Для такого достаточно сложного взаимосвязанного ком-
плекса различного высоковольтного оборудования, объе-
диненного в единую технологическую цепь распределения
электрической энергии предприятия, цеха, организация мо-
ниторинга состояния изоляции может быть выполнена двумя
способами:
Во-первых, можно использовать набор локальных систем
мониторинга, позволяющих раздельно контролировать состоя-
ние выключателей, общих шин КРУ и всех кабельных линий,
подключенных к КРУ. Итоговое заключение о состоянии всего
КРУ будет формироваться дополнительной программой на
основании отдельных диагностических заключений по типам
оборудования.
Во-вторых, может быть использована комплексная система
мониторинга состояния КРУ, построенная по принципу —
«один энергетический объект — одна система мониторинга
состояния изоляции». При таком подходе к мониторингу ито-
говое диагностическое заключение о техническом состоянии
объекта, о «его слабых местах» будет формироваться внутри
комплексной системы.
Ниже рассмотрим два примера реализации комплексного
подхода к диагностике и мониторингу состояния изоляции
КРУ и подключенных высоковольтных объектов. Эти два вари-
анта отличаются реализуемыми диагностическими функциями
и, конечно, своей стоимостью.
5.3.1. Система мониторинга изоляции КРУ,
кабельных линий и высоковольтных
потребителей на основе интеллектуального
реле «IDR-10».
Наверное, это самая дешевая из известных нам систем,
предназначенная для мониторинга состояния изоляции ком-
плекса высоковольтного оборудования. Это не говорит о том,
что этот прибор оснащен минимальными диагностическими
функциями, наоборот, он имеет современные встроенные
алгоритмы анализа уровня и распределения частичных раз-
рядов, поэтому авторы и назвали его интеллектуальным диа-
гностическим реле.
Интеллектуальное диагностическое реле марки «IDR-Ю»
(Insulation Diagnostics Relay) является универсальным сред-
ством диагностики и защиты высоковольтного электрообору-
Рис. 5.7. Реле «IDR-Ю»
для контроля частичных разрядов в КРУ
и отходящих кабельных линиях.
дования, предназначено для оперативного контроля состояния
изоляции высоковольтного оборудования различных типов.
Реле «IDR-Ю» может быть использовано для мониторинга
текущего технического состояния:
- Изоляции шин КРУ 6—36 кВ, изоляции выключателей
в ячейках.
- Изоляции кабельных линий, подключенных к КРУ при
помощи ячеек.
- Изоляции обмотки статоров высоковольтных моторов,
понижающих трансформаторов, питающихся по кабельным
линиям от КРУ.
Именно в возможности одновременного контроля техниче-
ского состояния различного высоковольтного оборудования,
включенного в единую технологическую цепь узла электро-
снабжения, и заключается комплексность свойств диагности-
ческого реле «IDR-Ю».
Оценка технического состояния изоляции высоковольтного
оборудования осуществляется при помощи диагностического
реле «IDR-Ю» на основе измерения и анализа распределения
частичных разрядов. Этот современный метод диагностики
технического состояния изоляции, работающий в режиме «on-
line», т.е. под рабочим напряжением, является универсальным,
применимым для оборудования различных типов, и очень
чувствительным, позволяющим выявлять возникающие в
изоляции дефекты на самых ранних стадиях их развития.
Благодаря эффективному использованию достижений со-
временной микроэлектроники и многолетнего научного и
практического опыта сотрудников фирмы «DIMRUS», реле
марки «IDR-Ю» имеет сравнительно низкую цену. Однако
по своим возможностям оно является функционально более
мощным, чем большинство диагностического оборудования
других фирм, предлагаемых на рынке средств оперативной
диагностики состояния высоковольтной изоляции.
При помощи реле «IDR-Ю» не только регистрируются от-
дельные импульсы частичных разрядов в изоляции контроли-
руемого оборудования. При помощи встроенных в реле алго-
ритмов производится расчет интегральной мощности разрядов,
что более точно отражает опасность выявленного дефекта. Это
дает возможность настраивать порог срабатывания внутренне-
го сигнального реле по величине полной мощности частичных
разрядов в изоляции, а не по параметрам отдельных импульсов,
пусть даже и имеющих значительную амплитуду.
Уникальной возможностью реле «IDR-10» является воз-
можность не только регистрации уровня частичных разрядов
и расчета их интенсивности, но и возможность экспертного
определения типа дефекта, выявленного в изоляции. Для это-
го результаты проведения измерений параметров частичных
разрядов при помощи гальванически изолированного интер-
фейса RS-485 могут быть переданы в компьютер со специали-
зированной программой СКИ и встроенной в нее экспертной
системой «PD-Expert», распознающей образ дефекта. Такая
система стандартно входит в состав поставки диагностического
реле «IDR-Ю».
Достоинством работы реле «IDR-Ю» является также то, что
оно одновременно с проведением диагностики технического
состояния изоляции выполняет стандартные функции инди-
катора наличия напряжения на контролируемых шинах. При
помощи свечения трех светодиодов реле показывает наличие
высокого напряжения в фазах. При помощи управления ре-
жимами работы этих светодиодов реле «IDR-Ю» показывает
наличие пониженного или повышенного уровня напряжения
в контролируемой высоковольтной цепи.
В качестве датчиков частичных разрядов в КРУ использу-
ются стандартные емкостные делители напряжения высокого
напряжения, как мы называли их ранее, «конденсаторы связи».
Основное отличие от ранее описанных (в разделе о диагно-
стике электрических машин) слюдяных конденсаторов связи
на 80 пФ — они многократно дешевле, имеют форму, размеры
обычных опорных изоляторов, и уже заранее устанавливаются
на шинах всех новых КРУ. Если такие емкостные делители в
КРУ не установлены, что может быть на КРУ старых выпусков,
то их легко можно смонтировать заново, на месте трех фазных
опорных изоляторов сборных шин, так как такие датчики вы-
полняют все функции опорных изоляторов, выпускаются теми
же фирмами, имеют высокие эксплуатационные свойства.
Если на шинах контролируемого КРУ при помощи прибо-
ра «IDR-Ю» будет выявлен повышенный уровень частичных
разрядов, то локализовать место их возникновения можно
попытаться сделать более точно. Для этого, если это техноло-
гически возможно, необходимо последовательно отключать
или включать в работу ячейки КРУ, к которым подключены
кабельные линии и высоковольтные трансформаторы или
электродвигатели, контролируя при этом изменение уровня
частичных разрядов на цифровом экране реле «IDR-Ю». Путем
такого «перебора» подключенных высоковольтных объектов
можно достаточно просто и эффективно выявить дефектную
ячейку КРУ, кабельную линию, высоковольтный трансфор-
матор или электродвигатель.
Таким образом, на основании работы защитного реле марки
«IDR-Ю» мы можем выявить и дифференцировать тип дефекта
в изоляции, степень развития дефекта, место его возникнове-
ния. Такой объем диагностической информации достаточен
для того, чтобы организовывать обслуживание высоковольт-
ного оборудования по принципу «обслуживание по реальному
техническому состоянию», что существенно эффективнее и
дешевле, чем при использовании всех других систем управ-
ления ремонтами оборудования.
В заключение по этому вопросу можно еще раз сказать,
что использование одного, пусть даже сравнительно дешевого
прибора - реле «IDR-Ю», позволяет радикально изменить си-
стему управления техническим состоянием изоляции целого
технологического комплекса высоковольтных электротехни-
ческих устройств, в конечном итоге, существенно повысить
надежность работы системы энергоснабжения.
5.3.2. «SG-DM» — комплексная система
мониторинга и диагностики изоляции КРУ.
Ниже мы приведем второй пример комплексного подхода
к диагностике состояния изоляции КРУ и подключенного
Рис. 5.8. Внешний вид прибора системы
комплексного мониторинга
кабельных линий и КРУ.
к нему высоко-
вольтного обо-
рудования. Эта
система мони-
торинга явля-
ется более ин-
формативной,
не требующей
для получения
диагностиче-
ского заключе-
ния о состоя-
нии изоляции
п роведен и я
каких-либо до-
полнительных
работ и «руч-
ных» операций.
Такая система мониторинга имеет более сложные и эффек-
тивные внутренние алгоритмы анализа частичных разрядов
и, естественно, имеет большую цену.
Речь пойдет о комплексной системе мониторинга марки
«SG-DM» (Switch Gear — Diagnostics Monitor), предназначенной
для контроля технического состояния изоляции составляющих
целого КРУ. Система мониторинга марки «SG-DM» позволяет
оперативно проводить техническую диагностику дефектов в 14
ячейках КРУ, общих шинах и отходящих кабельных линиях.
Система «SG-DM» может быть использована для диагно-
стики состояния ячеек КРУ с рабочим напряжением 6—10
кВ и выше, подключенных к одной системе шин. Если пред-
полагается организация мониторинга КРУ с несколькими
системами шин, то для каждой необходимо использовать от-
дельный прибор.
Система мониторинга марки «SG-DM» является комплекс-
ной, контролирующей техническое состояние нескольких
типов высоковольтного оборудования, объединенных в одном
объекте. Это позволяет существенно снизить экономические
затраты.
При помощи системы «SG-DM» производится:
• Определение остаточного коммутационного ресурса вы-
ключателей фидерной, секционной и 12 распределительных
ячеек секции КРУ. Оценка производится на основании фик-
сации суммарной мощности, отключенной выключателем.
• Определение технического состояния элементов механи-
ческого привода 14 контролируемых выключателей. Данный
параметр определяется на основании анализа кривой измене-
ния тока управления при включении и отключении каждого
выключателя.
• Контроль состояния изоляции шин КРУ и выключателей
в ячейках по уровню и распределению частичных разрядов.
• Контроль состояния изоляции подключенных кабельных
линий, а также запитанного от КРУ высоковольтного обо-
рудования (электродвигатели, трансформаторы) по уровню и
распределению частичных разрядов в изоляции.
• Определение места возникновения дефекта в изоляции
подключенной кабельной линии при помощи встроенного в
систему рефлектометра, работающего на основании анализа вре-
менных параметров прихода импульсов частичных разрядов.
Наиболее сложными проблемами при регистрации и ана-
лизе частичных разрядов в ячейках КРУ, шинах и отходящих
кабельных линиях являются отстройка от внешних помех,
наводимых извне, и определение времени прихода импуль-
сов в разных каналах с точностью в несколько наносекунд.
Эффективное аппаратное и программное решение этих про-
блем в системе «SG-DM» позволило достоверно выявлять не
только дефектный кабель, но и тип возникшего дефекта и
даже проводить локацию его положения в кабельной линии.
Получение таких экспертных заключений стало возможным
при помощи свойств диагностической программы «PD-Expert»,
встроенной в прибор.
В качестве датчиков частичных разрядов чаще всегоисполь-
зуются высокочастотные измерительные трансформаторы
тока марки «RFCT». Данные датчики имеют различную кон-
струкцию и монтируются на проводниках заземления экрана
кабельной линии, расположенных в ячейках КРУ. Датчики
допускают протекание через них токов промышленной ча-
стоты до 1000 А.
В некоторых случаях для контроля состояния изоляции
шин КРУ используют высоковольтные конденсаторы свя-
зи. Для контроля состояния изоляции кабельных линий, не
имеющих вывода экрана, используют кольцевые емкостные
датчики, охватывающие участок кабельной линии длиной
15-20 см.
Использование в системе «SG-DM» экспертной программы,
анализирующей кривую тока управления выключателем, в
моменты включения и отключения позволяет анализировать
временные фазы работы привода выключателя, что полностью
описывает его техническое состояние. Эта экспертная система
является адаптивной, автоматически настраивающейся на
временные параметры работы выключателей различных типов
и марок. Это дает возможность персоналу оперативно после
каждой коммутации выявлять отклонения, возникающие в
процессе эксплуатации КРУ.
В максимальной конфигурации системы мониторинга
«SG-DM» на оборудовании контролируемой секции КРУ мон-
тируется до 36 первичных датчиков различного назначения.
Это датчики потребляемых токов (для фидерного и секцион-
ного выключателей), токов управления всеми выключателями,
а также датчики частичных разрядов в шинах КРУ, ячейках и
отходящих кабельных линиях.
Система «SG-DM» монтируется непосредственно в помеще-
нии КРУ рядом с контролируемым оборудованием. Без исполь-
зования дополнительного подогрева оборудование системы
может работать при внешних температурах от —40°С.
6. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЬНЫХ
ЛИНИЯХ
Широкое практическое применение высоковольтных ка-
бельных линий различного напряжения, до 500 кВ, определяет
их важность в обеспечении надежной работы систем электро-
снабжения промышленных предприятий и населения. Именно
по причине возникновения проблем в изоляции кабельных
линий происходит большая часть аварийных отключений
бытовых потребителей, поэтому для контроля этого важно-
го элемента систем распределения электрической энергии
необходимо использовать весь спектр современных методов
диагностики состояния изоляции.
В последнее время все большее внимание уделяется при-
менению метода контроля состояния изоляции кабельных
линий, основанного на контроле уровня и распределения ча-
стичных разрядов. Этот метод является одним из наиболее
эффективных, работающих в режиме «on-line».
Данный раздел методического руководства является крат-
ким обзором технических и алгоритмических средств систем
мониторинга и переносных систем, применяемых на практике
для оценки технического состояния изоляции кабельных ли-
ний на основе регистрации и анализа частичных разрядов.
6.1. Установка первичных датчиков контроля
частичных разрядов в кабельных линиях
Для контроля изоляции кабельных линий по частичным
разрядам, как и для контроля изоляции любого другого вы-
соковольтного оборудования, важнейшим вопросом является
правильный выбор датчиков. При этом наибольшее внимание
должно уделяться выбору не только типов датчиков, но и наи-
более информативных мест для их установки. Оптимальное
решение этого комплексного вопроса позволяет диагносту
получать максимально информативные диагностические за-
ключения при минимальных затратах как на проведение прак-
тических измерений частичных разрядов в изоляции, так и на
завершающую обработку полученных результатов.
Типов первичных датчиков, используемых для измерения
частичных разрядов в изоляции кабельных линий, также как
и мест, где они могут быть смонтированы, в силу особых
конструктивных особенностей кабельных линий, не так уж
много. В основном, это концевые зоны (разделки) кабельных
линий.
Рассмотрим этот вопрос более подробно.
6.1.1. Установка датчиков частичных разрядов
в цепи заземления экрана.
Это наиболее доступное и информативное место для уста-
новки первичных датчиков, наиболее часто используемое при
проведении измерений частичных разрядов. Важным досто-
инством использования проводника заземления экрана для
установки датчиков является то, что при соблюдении опреде-
ленных правил безопасности он доступен для проведения работ
даже на работающем кабеле.
Современные кабельные линии имеют высокоэффективную
изоляцию сравнительно небольшой толщины, что обеспечи-
вает большую удельную емкость на участке «проводящая жила
— экран». Благодаря этому, практически все возникающие в
изоляции на интервале «фаза — экран» частичные разряды
замыкаются на землю через проводящий защитный экран, ко-
торый всегда заземляется с одной или с двух сторон линии.
Измерительная схема с включением датчиков в цепь прово-
дника заземления экрана кабельной линии применяется для
исследования трехфазной группы однофазных и для трехфаз-
ных кабелей. Понятно, что для трехфазной кабельной линии
необходимо использовать один (два) датчика в цепи зазем-
ления, а для диагностики состояния изоляции трехфазной
группы однофазных кабелей необходимо использовать три
(шесть) первичных датчиков частичных разрядов. Количе-
ство датчиков в скобках соответствует случаю, когда датчики
Рис. 6.1. Установка датчика контроля
частичных разрядов марки «RFCT»
в цепи заземления экрана
кабельной линии.
монтируются на двух
концах контролируемой
кабельной линии.
На рисунке 6.1. при-
ведена схема установ-
ки высокочастотных
трансформаторов тока
«RFCT» в цепи зазем-
ления кабельной линии
на одной стороне. Раз-
новидностей датчиков
типа «RFCT» выпускается разными фирмами достаточно мно-
го, они различаются размерами, конструкцией, а также други-
ми важными и второстепенными особенностями исполнения.
Только фирмой «DIMRUS» выпускается семь модификаций
этого часто используемого на практике, обладающего высокой
чувствительностью датчика частичных разрядов.
При установке датчиков марки «RFCT» на заземляющем
проводе с одной стороны кабельной линии необходимо всегда
контролировать наличие или отсутствие заземления экрана
кабеля на противоположном конце. Если с противоположной
стороны экран контролируемой кабельной линии тоже зазем-
лен, то чувствительность измерительной схемы существенно
снижается. Для обеспечения необходимой чувствительности
проводимых измерений, особенно при возникновении де-
фектов вблизи удаленного конца линии, придется принимать
дополнительные меры.
Объяснений снижению чувствительности измерительной
схемы при наличии заземления с двух сторон кабельной ли-
нии два. Одно связано с возможным насыщением высоко-
частотного сердечника датчика токами сравнительно низкой
промышленной частоты, а второе обусловлено замыканием
импульсов частичных разрядов по второму, «паразитному»
заземлению. В трехфазных кабельных линиях преобладает
второй фактор, а для групповых кабельных линий велико
влияние обоих параметров.
Если на обоих концах кабельной линии экран заземлен,
то, что на практике случается чаще всего, по экрану кабеля
будут протекать уравнительные токи промышленной частоты,
величина которых в определенных условиях может быть весьма
значительной. Наличие таких токов объясняется или особен-
ностями общей схемы электроснабжения, или спецификой
прокладки групповых кабельных линий.
Согласно исследованиям некоторых авторов, величина
этого тока для группы однофазных кабелей может достигать
значения 60—70% от номинального рабочего тока кабеля. При-
чины возникновения этого уравнительного тока промышлен-
ной частоты определяются многими параметрами, подробно
рассматривать которые из-за ограниченного объема нашего
руководства мы не будем.
Уравнительные токи промышленной частоты, протекая
через датчик марки «RFCT», приведут к насыщению вну-
треннего ферритового сердечника датчика, что изменит его
магнитную проницаемость в меньшую сторону. В результате
этого амплитуда импульсов частичных разрядов на выходе
датчика также уменьшится, что отрицательно скажется на
точности проводимых измерений частичных разрядов. Самым
«неприятным» в этом случае является то, что нельзя заранее
предполагать возможную степень насыщения сердечника в
момент проведения измерений.
Уменьшить влияние промышленных токов на величи-
ну магнитной проницаемости сердечника датчика можно
несколькими способами. Наиболее просто это сделать, если
использовать датчик разъемной конструкции, например,
марки «RFCT-5», являющийся высокочастотным трансфор-
матором тока. Между полукольцами сердечника датчика
«RFCT-5» вклеивается (или просто вкладывается) изоли-
рующая немагнитная и непроводящая пластина толщиной
2-3 мм.
Благодаря наличию этой немагнитной пластины, сердеч-
ник датчика станет частично разомкнутым и перестанет на-
сыщаться. Конечно, в результате этого амплитуда импульсов
частичных разрядов на выходе датчика уменьшиться, но это
уменьшение будет постоянным, практически не будет зависеть
от величины протекающего через датчик уравнительного тока
промышленной частоты. При использовании датчика с не-
магнитным зазором обязательно следует помнить о том, что
и первичная калибровка измерительной цепи должна прово-
диться с использованием этой изолирующей пластины.
В случае если заземление экрана контролируемого кабеля
выполнено проводом большого сечения или даже шиной, когда
установка датчика марки «RFCT-5» невозможна технически,
для измерения частичных разрядов необходимо использовать
разъемный датчик марки «RFCT-4». Этот датчик имеет разрез-
ной внутренний сердечник большого диаметра, позволяющий
«охватывать» проводящие шины и трубы большого сечения.
Этому способствует разборная конструкция датчика этой мар-
ки. При наличии у контролируемого кабеля заземления с двух
сторон в датчике марки «RFCT-4» также необходимо исполь-
зовать изолирующие немагнитные прокладки, размыкающие
сердечник датчика.
Для измерения частичных разрядов в кабельных линиях
выпускаются специализированные датчики марки «RFCT-7».
Эти датчики предназначены для монтажа в цепях заземления
экранов кабельных линий практически любого рабочего на-
пряжения, имеют квадратное внутреннее окно и разъемную
конструкцию.
Две модификации этого разъемного датчика рассчита-
ны на величину тока промышленной частоты 500 и 1000 А.
Внешний вид этого датчика показан на рисунке 6.2., он второй
по порядку. На этом
фото показаны все
основные типы и
Рис. 6.2. Внешний вид датчиков
для контроля кабельных линий.
Датчик марки «RFCT-7» для монтажа
в цепи заземления экрана
кабельной линии, второй справа.
марки датчиков, ко-
торые применяются
для измерения ча-
стичных разрядов в
кабельных линиях,
включая измери-
тельные конденса-
торы связи.
Испол ьзова-
ние изолирующих
прокладок между
полукольцами сер-
дечников датчиков
«RFCT» и в спе-
циальной моди-
фикации датчика
«RFCT-7» не решает
полностью пробле-
мы измерения частичных разрядов в кабельной линии с за-
землением экрана с двух сторон. Вторая проблема заключается
в том, что в связи с наличием в линии двух цепей заземления
частичные разряды будут замыкаться по обоим.
Особенно важно, что частичные разряды, возникшие в изо-
ляции рядом с противоположным концом кабельной линии,
в основном, будут замыкаться по «второй» цепи заземления и
измерены прибором не будут. Иными словами, чувствитель-
ность схемы измерения к частичным разрядам, возникающим
в различных участках кабельной линии, будет существенно
различаться, уменьшаясь до нуля на противоположном конце
кабельной линии.
Уменьшить влияние замыкания высокочастотных импуль-
сов по «второму заземлению экрана» кабельной линии можно
при помощи использования достаточно известных устройств
подавления высокочастотных помех, называемых сопрессора-
ми. Внешний вид такого сопрессора приведен на рисунке 6.3.
Он представляет собой разъемный ферритовый сердечник,
который надевается на нужный провод и «защелкивается».
При этом провод оказывается охваченным кольцевым ферро-
Рис. 6.3. Внешний вид сопрессора HFS
для подавления высокочастотных
помех.
магнитным сердеч-
ником с достаточно
большим объемом.
Отличие данно-
го феррита от дру-
гих состоит в том,
что он имеет низкое
сопротивление на
высоких частотах.
В результате сопре-
ссор будет являться
своеобразным ко-
роткозамкнутым
витком, надетым
на провод, но воз-
действующим только на сигналы, имеющие высокие частоты.
На токи промышленной частоты сопрессор не оказывает за-
метного влияния.
Чем больше масса сердечника, тем эффективнее будет
экранирование. Такие системы подавления высокочастотных
помех достаточно часто используются и в бытовой электрон-
ной аппаратуре, где они монтируются непосредственно на
кабеле питания. Кольцевой сердечник выполняет функцию
фильтра высокочастотных импульсных сигналов, для кото-
рых такая конструкция имеет высокое сопротивление. Токи
промышленной частоты легко протекают через сопрессор, а
для высокочастотных сигналов он имеет высокое проходное
сопротивление. Чем выше частота импульса, тем эффективнее
работает сопрессор.
Результатом использования сопрессора будет являться то,
что, несмотря на наличие двух заземлений экрана кабельной
линии, все высокочастотные сигналы будут замыкаться на
землю только через наш датчик частичных разрядов, уста-
новленный с одной стороны кабеля. Второе заземление будет
недоступно для высокочастотных импульсов. Все импульсы
частичных разрядов будут зарегистрированы нашим измери-
тельным прибором.
Такая схема измерения частичных разрядов в кабель-
ной линии, которая имеет заземления экрана с двух сторон
Рис. 6.4. Установка датчика контроля частичных разрядов
марки «RFCT-5» в цепи заземления экрана кабельной линии
с двумя заземлениями.
кабеля, показана на рисунке 6.4. В этой схеме на проводнике
заземления экрана на противоположном конце кабельной
линии использован высокочастотный защитный сопрессор,
который обозначен буквами «HFS».
При помощи сопрессора может быть реализована еще одна
возможность установки датчиков частичных разрядов при
измерении частичных разрядов в цепи заземления кабельной
линии, даже при наличии двух цепей заземления. Такая схема
установки первичных датчиков приведена на рисунке 6.5.
На этом рисунке показано, что параллельно цепи зазем-
ления экрана кабеля создается цепь, в которую включается
датчик регистрации частичных разрядов марки «RFCT». Таким
образом, в такой измерительной схеме токи промышленной
частоты и высокочастотные импульсы частичных разрядов
протекают по разным цепям. В результате отсутствует эффект
насыщения сердечника высокочастотного датчика частичных
Рис. 6.5. Установка датчика контроля частичных
разрядов параллельно цепи заземления экрана
кабельной линии.
разрядов при сохранении достаточно высокой чувствитель-
ности измерительной схемы.
В случае наличия в контролируемом кабеле заземления
экрана с двух сторон и в этой измерительной схеме на противо-
положном конце кабельной линии на проводе заземления
экрана необходимо, как это было показано выше на рисунке
6.4., устанавливать высокочастотный ограничитель — сопре-
ссор «HFS».
6.1.2. Использование конденсаторов связи
для контроля частичных разрядов.
Конденсаторы связи марки СС (внешний вид показан на
рисунке 6.2.) могут быть применены для контроля частичных
разрядов в кабельных линиях. Пример схемы подключения
таких конденсаторов показан на рисунке 6.6.
Несмотря на кажущуюся простоту и эффективность при-
менения конденсаторов связи для контроля частичных раз-
рядов в кабельных линиях, их использование имеет несколько
существенных недостатков.
Во-первых, измерительные конденсаторы связи в настоящее
время существуют не для всех классов рабочего напряжения
кабельных линий. Можно с достаточной большой долей уве-
ренности сказать, что по приемлемой цене доступны конденса-
торы связи на рабочее напряжение не выше 20 кВ. Для больших
напряжений, 110, 220, а тем более 500 кВ, их цена очень велика,
или, чаще всего, их просто не существует.
Рис. 6.6. Установка конденсаторов связи
для контроля частичных разрядов
в кабельной линии.
Во-вторых, очень важным недостатком, препятствующим
использованию конденсаторов связи для регистрации частич-
ных разрядов, является несоответствие частотно-зависимой
чувствительности конденсатора диапазону частот, который
имеют реальные частичные разряды в кабельной линии.
Причем этот недостаток — частотно-зависимая передаточная
функция конденсатора связи — наиболее сильно проявляется
применительно к кабельным линиям. Рассмотрим это немного
подробнее.
В момент возникновения частичный разряд в кабельной
линии может иметь достаточно крутые фронты, что соот-
ветствует высокочастотным импульсам. Конденсатор связи
хорошо применим к регистрации таких импульсов. Однако,
по мере перемещения импульса по кабельной линии, схему за-
мещения которой можно представить в виде последовательного
набора RC-цепочек, параметры импульса быстро изменяются.
Происходит «сглаживание» его амплитуды и практически
пропорциональное затягивание фронтов, что эквивалентно
снижению частоты импульса.
Чем дальше от точки установки конденсатора возник им-
пульс, тем более ослабленным он придет к датчику. Это озна-
чает, что чувствительность измерительной схемы при исполь-
зовании конденсаторов связи в значительной степени зависит
от места возникновения дефекта в изоляции.
Не вдаваясь в физические особенности работы датчиков
частичных разрядов, можно с достаточной точностью провести
очень важное сравнение, можно оценить, какой длины кабель-
ную линию можно контролировать при помощи датчиков типа
«RFCT» и «СС». Рассмотрим условный кабель такой длины, в
котором высокочастотный импульс частичного разряда, «про-
летевший» всю длину кабельной линии полностью, по своей
амплитуде затухнет в 10 раз, т.е. на 20 dB.
За базу для сравнения возьмем измерительную схему с ис-
пользованием датчиков марки «RFCT», включаемых в цепь
заземления экрана. Будем считать, что при первичной кали-
бровке схемы при подключении генератора на стороне уста-
новки датчиков выходной сигнал с датчика в 10 раз превы-
шал уровень шума, который будет потом зарегистрирован на
работающем кабеле.
Иными словами, мы рассматриваем ситуацию, когда зона
чувствительности прибора будет равна длине кабеля. Если
к прибору с датчиком «RFCT» подключить кабель большей
длины, то мы не сможем контролировать дополнительный
участок кабеля из-за превышения уровня помех над уровнем
информативных сигналов от частичных разрядов в изоляции
кабельных линий.
При использовании конденсаторов связи марки «СС»,
включаемых рядом с концевой разделкой контролируемой
кабельной линии, измеряемое соотношение «сигнал — шум»
будет другим, более неблагоприятным. Чем дальше от точки
установки конденсаторов будет находиться дефектная зона,
тем сильнее будет влияние помех.
Для частичного разряда, возникшего на противополож-
ном конце кабельной линии, сигнал на выходе конденсато-
ра связи будет примерно в 100 раз меньше, чем в случае его
возникновения рядом с датчиком. Это объясняется, с одной
стороны, затуханием сигнала в кабельной линии в 10 раз. С
другой стороны, частота импульса частичного разряда также
уменьшится в 10 раз.
В результате мы и получим затухание сигнала на выходе
измерительного конденсатора связи в 100 раз. Самое непри-
ятное будет заключаться в том, что измерительный прибор
при использовании конденсаторов связи не сможет контро-
лировать наш условный кабель полностью, «зона ответствен-
ности» системы контроля изоляции кабельной линии станет
значительно уже.
Общим выводом из этого будет то, что при помощи датчи-
ков марки «RFCT», установленных в цепи заземления экрана,
можно контролировать кабельные линии, длина которых будет
примерно в три раза больше, чем при использовании кон-
денсаторов связи типа СС, монтируемых на высоковольтных
зажимах кабельной линии.
Вторым недостатком применения конденсаторов связи
для контроля кабельных линий является то, что практически
всегда для монтажа конденсатора связи кабельную линию, в
которой предполагается контролировать частичные разряды,
необходимо отключать от напряжения. Причиной является то,
что эти работы проводятся на высоковольтных токоведущих
линиях и должны производиться заранее, с соблюдением не-
обходимых мер безопасности.
Подводя итог в этом вопросе, можно сказать следующее.
Конденсаторы связи можно применять при измерении частич-
ных разрядов в кабельных линиях, однако сфера применения
таких измерительных схем невелика. В основном, конденса-
торы связи используются в системах стационарного контро-
ля изоляции нескольких кабельных линий, подключенных
к общим шинам, чаще всего это применяется при контроле
изоляции токоведущих шин КРУ. Длина контролируемых
кабельных линий в этом случае обычно не очень велика.
6.1.3. Использование дополнительных датчиков
для контроля частичных разрядов.
В качестве датчиков, предназначенных для контроля ча-
стичных разрядов в изоляции кабельных линий, можно ис-
пользовать специализированные кольцевые емкостные и
индуктивные датчики, охватывающие токоведущую жилу
(кабель) различной конструкции.
Достаточно широкое применение для целей регистрации
частичных разрядов в кабельных линиях, особенно в соедини-
тельных муфтах, находят и акустические датчики частичных
разрядов контактного типа. Также ведутся большие работы
по внедрению в диагностику состояния изоляции кабельных
линий различных электромагнитных антенн, работающих в
UHF-диапазоне частот.
6.1.3.1. Кольцевые емкостные и индуктивные
датчики.
- Кольцевые датчики емкостного и индуктивного типа
применяются на практике достаточно редко, только в осо-
бых условиях, в системах стационарного мониторинга. Если
они используются при проведении периодических измерений
частичных разрядов переносными приборами, то датчики
всегда являются «предустановленными». Практически всегда
такие датчики имеют уникальную конструкцию, различную
для кабельных линий различных марок. Рассмотрим конструк-
тивные особенности этих датчиков и возможности применения
их для контроля изоляции кабельных линий.
Емкостные кольцевые датчики представляют собой прово-
дящие обкладки, смонтированные вокруг одной проводящей
жилы кабеля или даже вокруг всего трехфазного кабеля. Пло-
щадь пластины выбирается по условиям обеспечения необхо-
димой емкости относительно жил контролируемого кабеля.
Она должна быть не менее 60—100 пикофарад. По принципу
своего действия они эквивалентны обычным конденсаторам
связи, но в силу конструктивных особенностей существенно
дешевле их.
Кольцевые емкостные датчики выполняются в виде прово-
дящих пластин, например, из фольги, которые закладываются
поверх главной изоляции концевой разделки кабельной линии.
Поверх таких проводящих пластин наносится дополнительная
защитная изоляция. Вывод от пластины кольцевого емкост-
ного датчика выводится наружу проводником и обязательно
заземляется.
Емкостные датчики частичных разрядов могут монтиро-
ваться внутри соединительных муфт. Конструктивно они могут
представлять собой просто полоску фольги, соединительный
провод от которой выводится наружу, или даже просто «сво-
бодный» проводник, выполняющий роль антенны. Датчики
такой специфической конструкции в максимальной степени
контролируют изоляцию этих муфт.
Такой тип емкостного датчика частичных разрядов, когда
измерительная обкладка может попасть под воздействие вы-
сокого напряжения, по своей конструкции напоминает вывод
ПИН высоковольтного ввода трансформатора, при его исполь-
зовании необходимо применять все защитные мероприятия,
используемые в датчиках типа DB-1. Максимальная степень
защищенности измерительных цепей прибора обеспечивается
при использовании газонаполненных разрядников, включен-
ных между измерительной пластиной и экраном кабельной
линии, которые будут шунтировать импульсные коммутацион-
ные токи. Хорошим вариантом защиты измерительных цепей
является использование дублированных полупроводниковых
сопрессоров, имеющих малую проходную емкость.
Использовать для целей защиты цепей измерения частич-
ных разрядов (от коммутационных импульсов и перенапря-
жений) обычные керамические варисторы нельзя. Это объ-
ясняется тем, что из-за своей большой проходной емкости
порядка десятков нанофарад через них на землю будут за-
мыкать все высокочастотные импульсы частичных разрядов.
В результате итоговая чувствительность таких измерений будет
очень низкой.
При соблюдении всех вышеперечисленных условий ис-
пользование кольцевых емкостных датчиков вполне оправда-
но в системах стационарного контроля частичных разрядов в
кабельных линиях.
- Кольцевые индуктивные датчики.
Кольцевые индуктивные датчики представляют собой
высокочастотные трансформаторы тока, обычно располагае-
мые вокруг кабельной линии в месте выхода токоведущих жил
из кабельной разделки. Это практически наиболее доступное
для этих целей место кабельной линии. В качестве материала
сердечника кольцевого индуктивного датчика используются
специальные материалы, хорошо передающие высокочастот-
ные импульсы и слабо реагирующие на токи промышленной
частоты.
По своему виду кольцевые индуктивные датчики похожи
на стандартные датчики марки «RFCT». Отличие состоит в
том, что датчики изготавливаются «по месту», максимально
ориентированы на конкретную кабельную линию. Достаточно
часто корпус датчиков выполняется из металла и надежно за-
земляется. Это делается для того, чтобы исключить попадание
высокого потенциала в измерительные цепи.
Датчики такого типа могут быть использованы не только
для регистрации импульсов частичных разрядов, но и для
других целей. Например, при помощи этих датчиков в кабель-
ную линию может посылаться высокочастотный импульс, ис-
пользуемый в двух целях. При помощи этого импульса может
проводиться стандартная процедура рефлектографии дефектов
в кабельной линии, проводимой в режиме «on-line». Или же,
этот импульс может быть использован как запускающий ре-
гистрацию. Это бывает необходимо в том случае, когда длина
контролируемой кабельной линии составляет несколько ки-
лометров, и измерительные приборы смонтированы на обоих
концах кабельной линии. В этом случае импульс от одного
прибора синхронизирует внутренние часы и включает в режим
регистрации второй прибор, расположенный на противопо-
ложном конце кабельной линии.
6.1,3,2, Акустические датчики частичных разрядов.
Частотный диапазон акустических датчиков обычно со-
ставляет от 30 до 300 кГц, что обусловлено использованием в
датчике специализированных пьезоэлементов и соответствует
частотному диапазону «LF». Мы уже неоднократно писали,
что акустические приборы регистрации частичных разрядов
являются универсальными, позволяющими регистрировать
импульсы частичных разрядов в различном высоковольтном
оборудовании. Кабельные линии не являются исключением,
в них тоже можно проводить измерения частичных разрядов
акустическим методом.
Акустические методы регистрации частичных разрядов
в кабельных линиях могут быть использованы, но сфера их
применения имеет существенные ограничения. Основным из
них является необходимость установки акустического датчика
вблизи той зоны кабельной линии, в которой предполагается
контролировать наличие высокочастотных колебаний, так
как акустический датчик предполагает обязательное наличие
«прямого» акустического контакта с контролируемой зоной.
Отсюда сразу следует основное ограничение применения та-
ких датчиков (акустического метода) — с их помощью можно
контролировать только «доступные зоны», например, конце-
вые разделки кабельных линий и соединительные муфты при
«открытой» прокладке кабельной линии. Если же кабельная
линия имеет значительную длину и, тем более, проложена
под землей или в недоступных для оперативного контроля
кабельных галереях, то применение акустических датчиков не
обеспечивает надежного контроля состояния всей кабельной
линии.
Вторым недостатком использования акустических датчиков
является сильное затухание акустических импульсов, воз-
никших в изоляции кабельной линии, которая представляет
собой целый набор концентрических изоляционных слоев и
защитного экрана. В результате сильного затухания сигналов
в этом «слоеном пироге» на поверхности кабельной линии
акустическая активность многократно меньше. Чем выше
рабочее напряжение кабельной линии, тем больше толщина
изолирующих и защитных слоев кабеля, тем в большей степени
снижается чувствительность проводимых измерений.
Третий недостаток в случае использования акустических
датчиков для контроля частичных разрядов в кабельных лини-
ях, заключается в том, что персонал, проводящий измерения
акустическими датчиками, должен находиться в непосред-
ственной близости от объекта контроля — концевой разделки
или кабельной муфты. Чаще всего датчик приходиться просто
«надежно» прижимать к контролируемой муфте при помощи
изолирующего стержня или маленькой штанги, находясь в
кабельном колодце или рядом с большим количеством ка-
бельных линий.
По статистике известно, что кабельные разделки и муфты
в наибольшей мере подвержены необратимым изменениям
в состоянии изоляции, часто сопровождаемой локальными
разрушениями. Во время этих разрушений иногда наблю-
дается разлет осколков элементов кабеля и конструкций на
значительные расстояния. Это представляет значительную
опасность для диагностического персонала. Поэтому прове-
дение таких измерений требует неукоснительного соблюдения
всех необходимых мер безопасности, позволяющих исключить
травмы персонала во время проведения измерений частичных
разрядов в изоляции кабельных линий.
В заключение по этому вопросу скажем, что в арсенале
специалистов по диагностике состояния изоляции кабель-
ных линий по уровню и распределению частичных разрядов
должен присутствовать акустический прибор, пусть даже са-
мый простой. Его применение принесет несомненную пользу
диагносту.
6.1.3.3. Электромагнитные UHF-антенны
для регистрации частичных разрядов.
Для контроля состояния изоляции кабельных линий могут
быть использованы электромагнитные как классические, так
и специализированные электромагнитные антенны несколь-
ких типов.
Техническая возможность применения электромагнитных
антенн для кабельных линий вполне понятна. Несмотря на
наличие внешней брони (экрана), импульсы частичных раз-
рядов достаточно интенсивно излучаются в зоне концевых
разделок кабельной линии.
Регистрация частичных разрядов при помощи антенн име-
ет две модификации. В первом случае, когда зона разделки
кабельной линии (кабельных линий) визуально видна, мож-
но воспользоваться переносным прибором и направленной
электромагнитной антенной. Направляя антенну на зону
кабельной линии, свободную от брони, можно попытаться
зарегистрировать импульсы частичных разрядов.
Второй вариант регистрации импульсов частичных разря-
дов ориентирован на использование в системах мониторинга,
хотя может быть использован и при периодических измерениях.
В ячейке КРУ, куда заведен контролируемый кабель, или на
некотором удалении от него устанавливается специализи-
рованная, ненаправленная, электромагнитная антенна. Она
позволяет регистрировать излучение на некотором удалении
от места установки. Особенно эффективно применение таких
электромагнитных антенн в ячейках КРУ, экранированных
от внешних помех металлическим шкафом, что обеспечивает
очень высокую помехозащищенность проводимых измере-
ний.
Если заранее смонтировать во всех ячейках КРУ такие элек-
тромагнитные антенны, которые очень компактны и имеют
магнитное крепление, а соединительные кабели от них вывести
в одну общую точку, на специальные разъемы, то проводить
измерения частичных разрядов можно будет в любой момент
времени, причем не будет возникать необходимость в открытии
ячеек КРУ. Или же при помощи прибора мониторинга можно
организовать непрерывный контроль состояния изоляции
всех кабельных линий.
6.2. Схемы измерения частичных разрядов
в кабельных линиях в режиме «off-line»
В изоляции кабельных линий достаточно часто измере-
ния частичных разрядов производятся в режиме «off-line» с
выведением из эксплуатации. Обычно это объясняется тем,
что определить техническое состояние изоляции в режиме
«on-line» трудно технически, или же из-за невозможности обе-
спечения необходимого уровня безопасности для диагности-
ческого персонала.
Измерения частичных разрядов в изоляции, в режиме «off-
line», проводятся или с использованием высоковольтного ис-
точника испытательного напряжения промышленной частоты,
или же с использованием испытательных напряжений с дру-
гими параметрами. Такие специфические режимы испытаний
изоляции применяются в некоторых современных методах
диагностики.
Рассмотрим два примера проведения испытаний изоляции
кабельных линий на наличие частичных разрядов, один стан-
дартный и один специфический метод диагностики.
6.2.1.
Наиболее стандартная и часто применяемая на практике
схема измерения частичных разрядов в кабельной линии, выве-
денной из работы, показана на рисунке 6.7. Эта схема позволяет
получать приемлемые по точности результаты практически
для любых кабельных линий.
Поскольку контролируемый кабель выведен из работы, на
него, чтобы выявить в нем наличие частичных разрядов, необ-
ходимо подавать испытательное напряжение не меньшее, чем
напряжение зажигания частичных разрядов. Для этих целей
используется дополнительный высоковольтный источник
Рис. 6.7. Схема измерения частичных разрядов
в кабельной линии в режиме
«off-line».
высокого напряжения, или же испытуемый кабель на время
подключается непосредственно к питающей сети. Величина
приложенного напряжения обычно принимается равной но-
минальному значению рабочего напряжения.
Первый вариант с подачей напряжения от дополнительного
высоковольтного источника является более предпочтительным,
так как в этом случае измерительная схема меньше подвержена
влиянию различных высокочастотных помех, практически
постоянно присутствующих в промышленной сети.
В измерительной схеме основным датчиком регистрации
частичных разрядов является датчик типа «RFCT», временно
монтируемый в цепи заземления экрана кабельной линии, или
же датчик типа «SGM-1(2)», стационарно установленный в этой
же цепи заземления экрана контролируемой кабельной линии.
Все эти датчики серийно производятся фирмой «DIMRUS».
Датчики марки «RFCT» различных модификаций входят в
состав стандартной поставки переносных и стационарных
систем контроля параметров изоляции кабельных линий. Ин-
формация по этим датчикам приведена в последнем разделе
настоящего методического руководства.
Если частичные разряды в контролируемой линии будут
обнаружены при номинальном напряжении, то следующие
измерения производят, постепенно уменьшая напряжение
до значения, когда частичные разряды перестанут возникать,
«погаснут». Обычно такие дополнительные измерения по-
зволяют более точно локализовать тип и место возникшего в
изоляции дефекта.
Если измерения частичных разрядов в кабельной линии,
в режиме «off-line», производятся с использованием номи-
нального напряжения питающей сети, то для повышения до-
стоверности проводимых измерений в измерительной схеме
желательно использовать дополнительные датчики частичных
разрядов. Назначение этих датчиков вполне понятно, с их по-
мощью будет снижаться влияние на получаемые результаты
высокочастотных помех, возникающих от других потребителей
энергии. Для этого применяют все доступные аппаратные и
алгоритмические средства отстройки измерений от влияния
внешних помех.
6.2.2.
Метод OWTS (Oscillating Wave Test System) предназначен
для регистрации частичных разрядов в изоляции и локации
места возникновения дефекта в изоляции кабельной линии.
Этот метод находит в последнее время все более широкое при-
менение, и не только для диагностики изоляции кабельных
линий.
Отличие этого способа регистрации частичных разрядов
в изоляции кабельных линий от предыдущего заключается в
использовании оригинального способа создания переменного
испытательного напряжения, прилагаемого к контролируемому
кабелю. Немного подробнее опишем суть этого метода.
Классическая схема установки типа OWTS приведена на
рисунке 6.8. На этой схеме основными элементами являются
высоковольтный источник постоянного тока HV, катушка
индуктивности L, высоковольтный контактор К и испыты-
ваемая кабельная линия CL.
В качестве средства для регистрации частичных разрядов
в контролируемом кабеле на схеме показан первичный дат-
чик марки «RFCT», включенный в цепь заземления экрана.
Рис. 6.8. Схема испытательной установки,
работающей по принципу OWTS.
На схеме для общности описания также показан измеритель-
ный конденсатор связи, при помощи которого также можно
регистрировать частичные разряды.
Определение технического состояния изоляции может про-
водиться сразу для изоляции всех трех фаз, как это показано
на рисунке, когда все три фазы кабельной линии объединены
между собой или поочередно, для каждой фазы отдельно.
Работает представленная на рисунке установка OWTS сле-
дующим образом. Кабельная линия, ее емкость, заряжается
от высоковольтного источника постоянным током небольшой
величины порядка нескольких миллиампер. Величина заряд-
ного тока ограничена малой мощностью источника, допускаю-
щего даже наличие коротких замыканий в контролируемой
кабельной линии.
Зарядка кабельной линии CL продолжается до тех пор, пока
постоянное напряжение на контролируемой кабельной линии
достигнет величины амплитуды номинального рабочего на-
пряжения или иного значения, что определяется целью данно-
го опыта. Это время составляет несколько секунд, так как мы
только заряжаем геометрическую емкость кабельной линии.
Процессы абсорбции зарядов в изоляции, как и другие про-
цессы, приводящие к перераспределению зарядов в изоляции,
не успевают стать значимыми, влияющими и искажающими
процесс измерения частичных разрядов.
После окончания зарядки емкости кабельной линии и вы-
держки ее в этом режиме в течение некоторого, тоже короткого
интервала времени, производится замыкание высоковольтного
контактора К. При этом накопленный заряд кабельной линии
разряжается на землю через индуктивность L, величина ко-
торой очень велика, в большинстве используемых в практике
приборов она обычно равняется 0,7 генри.
После замыкания контактора измерительная схема вклю-
чения кабельной линии изменяется. Емкость кабельной ли-
нии CL и добавочная внешняя индуктивность L оказываются
включенными параллельно, образуя парой классический па-
раллельный колебательный контур. В колебательном контуре
возникают колебания, скорость затухания которых опреде-
ляется потерями энергии в индуктивности и в изоляции ка-
бельной линии.
Частота колебаний этого контура определяется соотно-
шением параметров емкости кабельной линии и индуктив-
ности катушки, обычно она составляет от 50 до 1000 герц. Для
«больших» кабелей эта частота обычно ниже. Для небольших
кабельных линий, т.е. для сравнительно коротких, эта частота
выше, так как емкость таких кабелей меньше.
Характер изменения напряжения на контролируемой ка-
бельной линии показан на рисунке 6.9. На этом рисунке видно,
что частичные разряды, возникающие в изоляции кабельной
линии, по мере уменьшения напряжения уменьшаются и ис-
чезают полностью.
Таким образом, при помощи установки типа OWTS опре-
деляется наличие частичных разрядов, их интенсивность,
фазовое распределение импульсов, напряжение «погасания»
частичных разрядов в изоляции кабельных линий.
Очень важной диагностической информацией является ло-
кация места возникновения разрядов «вдоль кабельной линии».
Импульс, возникший в месте дефекта изоляции, движется по
кабельной линии в разные стороны. Один импульс движется
к тому концу кабеля, к которому подключен датчик и испы-
тательная установка. Второй импульс движется в противопо-
ложном направлении, отражается от конца кабельной линии и
возвращается обратно. Разность времени прихода импульсов
определяется временем движения импульса к противопо-
ложному концу кабеля, плюс время движения отраженного
импульса до места дефекта.
Такая локация места возникновения дефекта в изоля-
ции линии возможна потому, что мы сразу же регистрируем
«первичный» импульс частичного разряда и отраженный,
«вторичный» импульс, вернувшийся от противоположного
конца кабельной линии. На рисунке 6.9. этот вопрос не де-
тализирован, хотя при увеличенном временном разрешении
каждого импульса частичного разряда можно увидеть эти
два импульса, прямой и отраженный. В некоторых практи-
ческих случаях этих импульсов может быть и много больше.
Рис. 6.9. Затухающие синусоидальные колебания
напряжения на испытываемом кабеле и частичные разряды
от дефекта в изоляции.
Все соединительные муфты на линии, а также все другие не-
равномерности структуры линии, также «вносят свой вклад»
в усложнение общей рефлектограммы, создавая отраженные
пики различной амплитуды.
В настоящее время на рынке присутствуют установки OWTS
производства нескольких фирм с рабочим напряжением от
30 до 250 кВ. Это позволяет использовать их практически для
всех существующих кабельных линий, исключая лишь линии
с рабочим напряжением 500 кВ. Но и в этом направлении ра-
боты по созданию таких высоковольтных установок активно
ведутся.
Достоинством использования установки типа OWTS яв-
ляется сравнительно небольшие габариты, малая потребляе-
мая мощность и большая практическая эффективность. К
недостаткам следует отнести высокую стоимость импортных
образцов таких диагностических систем. Отечественные об-
разцы таких систем, выпускаемые нашими фирмами, стоят в
несколько раз дешевле.
В заключение по этому вопросу хочется сделать некоторые
практические замечания. Метод OWTS ни в коем случае не
следует идеализировать. По «большому счету» он на методи-
ческом уровне практически ничем не отличается от измерений
частичных разрядов в изоляции кабельных линий с исполь-
зованием повышающего испытательного трансформатора. Он
также ничем не отличается и по получаемым диагностическим
результатам, если для регистрации частичных разрядов ис-
пользовать современный измерительный прибор, имеющий
встроенные функции локации мест возникновения дефектов,
например, прибор «R2200» производства фирмы «DIMRUS».
Поэтому не ждите от практического использования при-
боров марки OWTS «сверхновых» или уникальных диагно-
стических результатов и прорывов. Общая информативность
этого метода не больше, чем у других, работающих в режиме
«off-line». Просто это более современная разработка диагно-
стического оборудования.
Все дело заключается в том, что сама система OWTS кон-
структивно по весу и габаритам существенно меньше повы-
шающего испытательного трансформатора и уже включает в
себя сравнительно неплохой измерительный прибор для ре-
гистрации частичных разрядов в изоляции кабельных линий.
Дополнительным плюсом является возможность локализа-
ции места возникновения частичных разрядов по временному
графику «прямых» и «отраженных» импульсов частичных
разрядов.
6.3. Схемы измерения частичных разрядов
в кабельных линиях в режиме мониторинга
6.3.1. Измерение частичных разрядов в кабельных
линиях в режиме мониторинга.
Схемы измерения частичных разрядов в кабельных линиях,
находящихся в рабочем режиме, в режиме мониторинга мало
отличаются от схем измерения в кабельных линиях, выве-
денных из работы. Контролируемый кабель находится под
номинальным рабочим напряжением, а изменение величины
нагрузки кабельной линии мало связано с уровнем регистри-
руемых частичных разрядов, в основном, только за счет влия-
ния на это изменения температуры кабельной линии.
Необходимо тщательно принимать все необходимые меры
безопасности, как и при проведении измерений в режиме «off-
line». Мы не будем их перечислять, на каждом энергетическом
предприятии без их выполнения нельзя проводить какие-либо
работы. Меры безопасности в режиме «on-line» являются даже
большими, так как рядом располагается другое оборудование,
также находящееся под высоким напряжением.
Следующим, более важным отличительным фактором,
имеющим большое значение при проведении измерений пара-
метров кабельных линий под рабочим напряжением, является
наличие более высокого уровня высокочастотных импульс-
ных помех, обычно очень значительного, практически всегда
присутствующих в наших промышленных высоковольтных
сетях. Это очень сильно может повлиять на достоверность
получаемых диагностических заключений, так как борьба с
этими помехами является сложным и не всегда результатив-
ным действием.
Также очень важно использовать такую конфигурацию
измерительной схемы, которая бы позволила исключить вза-
имное влияние частичных разрядов от других, рядом рас-
положенных кабельных линий, т.е. исключить перекрестные
помехи между кабельными линиями и другими высоковольт-
ными объектами.
Такая ситуация наиболее важна при проведении измере-
ний частичных разрядов в кабельных линиях, выполняемых
в ячейках КРУ. В этом случае к общим шинам через коммута-
ционные ячейки подключено большое количество различных
кабельных линий одного класса напряжения. Поскольку рас-
стояние между точками подключения (через выключатель)
кабельных линий к общим шинам невелико, обычно не пре-
вышает 2 метра, то очень велики высокочастотные сигналы,
поступающие (наведенные) в контролируемый кабель из рядом
расположенных линий.
Для повышения помехоустойчивости обычную измери-
тельную схему необходимо модифицировать. В результате
получается конфигурация схемы измерений, показанная на
рисунке 6.10. Эта схема предназначена для проведения из-
мерений частичных разрядов в пяти кабельных линиях, под-
ключенных к одной системе высоковольтных шин.
Рис. 6.10. Измерение частичных разрядов в нескольких
кабельных линиях, находящихся под рабочим напряжением,
конфигурация измерительной схемы.
Рассматриваемая конфигурация измерительной схемы
включает в себя пять измерительных каналов, регистрирую-
щих импульсы частичных разрядов синхронно. Ко всем пяти
каналам подключаются измерительные датчики RFCT, смон-
тированные на рядом расположенных кабельных линиях. На
рисунке показано аппаратное решение проблемы борьбы с
помехами, хотя все эти диагностические алгоритмы можно
реализовать в приборе и на программном уровне.
Совместное, синхронное измерение частичных разрядов
в нескольких кабельных линиях очень важно с точки зрения
использования систем отстройки от внешних и взаимных
высокочастотных помех. В этой схеме поочередно каждый
кабель является и контролируемым элементом, и источником
опорного сигнала, позволяющего эффективно отстраиваться
от внешних помех.
Поясним это более подробно. Схема отстройки от помех
работает следующим образом. Например, мы производим из-
мерения частичных разрядов в кабельной линии «3», используя
датчик «S3». Сигнал от этого датчика мы подключаем к сиг-
нальному каналу «СИЗ» измерительного прибора. Сигналы от
датчиков «S2» и «S4» мы подключаем к референсным кана-
лам прибора с номерами «R2» и «R4». При помощи установок
режима регистрации прибора включается в работу разборка
сигналов по времени «time off arrival».
Проводится регистрация сигналов, причем, учитываются
только те сигналы частичных разрядов, которые пришли из
контролируемого кабеля. На практике это означает, что ре-
гистрируются только те сигналы, которые сначала «пришли»
с выхода датчика «S3», а только потом появились на выходах
датчиков «S2» и «S4».
Вполне понятно, что разница во времени прихода импуль-
сов по разным каналам не очень велика. Она определяется по
расстоянию между точками подключения кабелей к шинам,
плюс удвоенное расстояние от шин до места установки дат-
чиков. Реально это расстояние равно 3—5 метрам или 15—25
нс задержки по времени.
На следующем этапе, согласно конфигурации измеритель-
ной схемы, показанной на рисунке 6.10., работает амплитудная
разборка между измеряемым каналом и «шумовыми» каналами
«N1» и «N5». Нам кажется, что ничего здесь пояснять не нуж-
но, как работает такая разборка, мы уже подробно описали
выше.
На следующих этапах контроля состояния изоляции про-
изводится переключение сигналов с датчиков. На вход канала
«Signal Channel» подается сигнал с другого кабеля, например, с
датчика «S4», и измерения частичных разрядов повторяются.
При этом сигнал с датчика «S3», как и сигнал с датчика «S5»,
будет являться опорным. Для справки можно напомнить, что
все эти переключения сигналов с датчиков, установленных на
различных кабельных линиях, производятся внутри совре-
менных приборов при помощи встроенной платы коммутации
по программе, задаваемой пользователем при настройке при-
бора перед измерениями. Коммутировать кабели «вручную»
при помощи переключения на входных разъемах прибора не
нужно.
Таким образом, подключив 12 датчиков, можно поочередно
контролировать состояние до 12 кабельных линий, по числу
измерительных каналов прибора. Основным методическим
правилом при проведении таких измерений частичных раз-
рядов является использование в качестве опорного сигнала
сигналов с кабельных линий, установленных на данной шин-
ной сборке «слева» и «справа» от контролируемого кабеля.
В этом случае будут достаточно точно выявлены и отбракованы
импульсы частичных разрядов, пришедшие на контролируе-
мую кабельную линию по общей шине.
Определенную сложность будет представлять регистрация
частичных разрядов в кабельных линиях, подключенных «на
краях» шинной сборки. Для таких кабельных линий будет
представлять сложность отстройка от импульсов, пришедших
на шину «снаружи», где уже нет датчиков опорных сигналов,
так как нет подключенных кабельных линий. На рисунке 6.10.
такая сложность возникнет при измерении частичных разрядов
в кабельных линиях «1» и «5». Высокочастотные импульсы по-
мех, пришедшие на шину «слева», например, при регистрации
частичных разрядов в кабельной линии «1», будут «сосчитаны»
прибором как импульсы частичных разрядов в кабеле.
6.3.2. Измерение частичных разрядов в «крайних»
кабельных линиях.
Возможно несколько вариантов решения этой проблемы.
Вариант 7.
Если кабельные линии LI, L2 и L3 подключены к шине на
некотором расстоянии друг от друга, большем, чем один метр,
то можно воспользоваться специальной конфигурацией схемы
измерения, принцип действия которой может быть пояснен
при помощи рисунка 6.11.
На рисунке показан участок шинной сборки с указанием
двух линейных параметров, очень важных для проведения
регистрации частичных разрядов. Этими параметрами яв-
ляется расстояние между точками подключения кабельных
линий AL к общим шинам. Вторым параметром является длина
«разделки» кабельных линий ALK, которая равняется сумме
длин самой разделки, плюс длина всех силовых проводников
в ячейке КРУ, до точки подключения к общим шинам. Будем
считать ее одинаковой у всех трех кабелей.
Как уже было сказано выше, наибольшей сложностью явля-
ется отстройка от импульса, который на рисунке слева вверху
обозначен цифрой «1». Этот высокочастотный импульс пришел
в нашу контролируемую систему кабельных линий «слева» и
является помехой. Согласно графику, импульс помехи может
прийти на шинную сборку и справа, такой импульс обозначен
на рисунке цифрой «2». Однако основной интерес представляет
высокочастотный импульс от частичного разряда, возникше-
го в первом кабеле, на рисунке он обозначен цифрой «3», он
движется снизу вверх по кабельной линии.
Рис. 6.11. Измерение частичных разрядов
в «крайних» кабельных линиях КРУ,
находящихся под рабочим напряжением.
На рисунке 6.11. ниже схемы подключения датчиков к ка-
бельным линиям показаны графики временных сдвигов им-
пульсов, зарегистрированных датчиками от этого импульса.
Таких графиков всего девять, по три (зарегистрированных на
кабельных линиях датчиками типа RFCT) на каждый из трех
импульсов. В каждом столбце приведены временные сдвиги
трех сигналов в зависимости от направления, по которому в
схему пришел высокочастотный импульс. Естественно, что
все три выключателя, показанные на схеме, в момент прове-
дения измерений были замкнуты. Нам кажется, что читатель
может сам получить ту информацию, которую мы привели на
графиках, там нет ничего сложного.
Наибольший интерес представляют отклики трех датчиков
кабельных линий на импульсы «1» и «3». Первый из них — по-
меха, а второй — импульс частичного разряда, возникший в
«крайнем» кабеле КРУ. Реально величина расстояния ALK
больше расстояния AL в два — три раза. Если, например, рас-
стояние AL импульс «пролетает» за 5 — 6 нс, то расстояние
ALK импульс «пролетает» за 12—20 нс, что вполне может быть
дифференцировано современными измерительными при-
борами.
Вариант 2.
В условиях такой схемы подключения кабельных линии к
шинной сборке возможно и другое, очень простое и интересное
решение проблемы отстройки от помех. Оно заключается в том,
что соединительный кабель отдатчика кабельной линии «Ы»
берется длиннее соединительного кабеля от датчика «L2» на
величину, равную AL. Для справки, выше мы говорили, что
для правильной работы системы разборки импульсов типа
«time of arrival» необходимо, чтобы все соединительные ка-
бели отдатчиков имели одинаковую длину. Конструктивно
не всегда обязательно «резать» штатные соединительные ка-
бели, входящие в состав поставки прибора. В данном случае
необходимо сделать дополнительный кабель нужной длины
с двумя разъемами, позволяющий удлинить штатный соеди-
нительный кабель.
Что же произойдет при использовании удлиненного соеди-
нительного кабеля отдатчика «Ы»? На практике это будет
соответствовать случаю, когда при приходе импульса поме-
хи, обозначенной на рисунке цифрой «1», сигнал с кабельной
линии «L2» будет зарегистрирован одновременно с сигналом,
поступившим с кабельной линии «Ы». Это понятно, так как
соединительный кабель первой линии длиннее, чем у второй
кабельной линии. А при приходе импульса частичного разряда
из первой кабельной линии сигнал на второй линии будет за-
паздывать только на величину ALK (раньше он запаздывал
на величину ALK + AL).
При одновременном приходе импульсов с двух первичных
датчиков первичный прибор может быть настроен так, чтобы
внутренние алгоритмы прибора посчитали такой высоко-
частотный импульс помехой и забраковали его, исключив из
регистрации. Именно этой цели мы и добивались.
При регистрации частичных разрядов в кабельной линии
«L2» увеличенная длина соединительного кабеля от датчика
«L1» будет только способствовать увеличению точности работы
системы отстройки от помех типа «time of arrival».
Для того чтобы система отстройки от помех, описанная
выше, работала надежно и точно, необходимо, чтобы рассто-
яние AL, равное расстоянию между точками подключения
кабельных линий к общей шине КРУ, было бы не меньше,
чем 0,8—1,0 метра. Если это условие не соблюдается, то такая
система отстройки от помех работать не будет или будет ра-
ботать неустойчиво.
В этом случае необходимо будет или использовать приборы
с большим временным разрешением, или применять другие
алгоритмы отстройки от внешних помех. Эти алгоритмы при-
ходится использовать при регистрации частичных разрядов
в изоляции «крайних» кабельных линиях контролируемого
КРУ.
Вариант 3.
Расстояние между точками подключения двух кабельных
линий к шинной сборке контролируемого КРУ меньше, чем
0,8 метра.
В этом случае единственно возможным техническим ре-
шением, позволяющим избавиться от импульсов помех, при-
шедших на шину извне (для крайней кабельной линии), яв-
ляется использование дополнительных датчиков частичных
разрядов.
На рисунке 6.12. приведена схема измерения частичных
разрядов в кабельной линии, подключенной к краю шинной
сборки в том случае, когда кабельные линии подключены
к шинам достаточно близко.
Рис. 6.12. Измерение частичных разрядов в «крайней»
кабельной линии с использованием дополнительных
датчиков марки СС.
В качестве дополнительного датчика здесь использова-
ны три стандартных конденсатор связи марки СС. Для обе-
спечения отстройки от помех они должны монтироваться
с краев шинной сборки КРУ, к которой они и подключаются.
Расстояние от места подключения «крайней» кабельной линии
до места подключения конденсаторов связи для обеспечения
работы разборки импульсов должно быть не менее одного
метра. В приведенной измерительной схеме сигналы от кон-
денсаторов связи лучше всего использовать в разборке от помех
типа «time of arrival», реализованной на аппаратном уровне.
Сравнивая измерительную схему, приведенную на рисунке
6.12., с другими измерительными схемами, приведенными
выше, можно сказать следующее. В этой схеме при помощи
набора дополнительных конденсаторов связи марки «СС» ими-
тируется наличие еще одной кабельной линии, расположенной
на «краю» шинной сборки. В соответствии с этим производится
настройка конфигурации прибора, которая должна использо-
вать информацию этих дополнительных сигналов.
Все эти высокочастотные сигналы, вместе взятые (от всех
трех конденсаторов связи), должны подаваться на один общий
референсный канал, так как сигнал от трех фаз кабельной
линии чаще всего тоже поступает в комплексном виде. При
использовании группы однофазных (высоковольтных) ка-
бельных линий сигналы от конденсаторов связи в фазах тоже
должны поступать раздельно.
Тут мы для общности описания технических особенностей
напомним, что конденсаторов связи на напряжение свыше
35 кВ, приемлемых для регистрации частичных разрядов, про-
мышленностью не выпускается. Поэтому вариант с группой
однофазных кабелей на практике маловероятен.
6.3.3. Использование систем мониторинга
для локализации места возникновения
дефектов в изоляции кабельных линий.
Метод классической регистрации рефлектограмм, основан-
ный на анализе прямых и отраженных импульсов, достаточно
широко применяется в практике. В основном он предназначен
для поиска мест возникновения дефектов в различных ка-
бельных линиях. Метод достаточно прост и эффективен, но
и не лишен некоторых недостатков. Основными недостатками
являются два.
Во-первых, диагностика и локализация мест возникнове-
ния дефектов может производиться только на отключенной
кабельной линии. Этим обеспечивается защита от помех и
высокая чувствительность метода.
Во-вторых, диагностируемый дефект в изоляции кабельной
линии должен быть «развит» до такой степени, чтобы в зоне
его возникновения волновые свойства кабельной линии были
существенно изменены. Только в этом случае возможно от-
ражение (от зоны возникновения диагностируемого дефекта)
части энергии тестового импульса.
При помощи систем мониторинга частичных разрядов в
изоляции кабельных линий возможно проведение рефлек-
тографии в режиме «off-line» без вывода кабельной линии из
работы. Это также подразумевает возможность локализации
мест возникновения дефектов в изоляции. Используемый при
этом метод «модифицированной» рефлектографии приобретает
новые свойства.
Отличие данного метода рефлектографии от «стандартно-
го» заключается в том, что в качестве тестирующего импульса
используется не импульс от встроенного в прибор тестового
генератора, а импульс частичного разряда, возникающего в
зоне возникшего дефекта изоляции.
На рисунке 6.13 приведена иллюстрация, поясняющая ис-
пользование в методе рефлектографии импульсов частичных
разрядов. В месте наличия дефекта кабельной линии возникает
частичный разряд и, соответственно, электромагнитный им-
пульс. Из зоны возникновения он начнет по кабельной линии
распространяться в обе стороны, в направлении концевых
разделок кабельной линии.
С одной стороны, на рисунке это слева, когда импульс до-
стигнет датчика, то он будет зарегистрирован прибором систе-
мы мониторинга. Приблизившись к правому концу кабеля, в
месте изменения волнового сопротивления часть энергии им-
пульса частичного разряда отразится, и отраженный импульс
меньшей амплитуды будет двигаться в обратном направлении.
В тот момент, когда импульс придет к левому концу кабеля, он
также будет зарегистрирован измерительным прибором.
Если в момент прихода первого, «прямого» импульса нач-
нется регистрация временной формы сигналов, то временная
диаграмма по этому каналу будет иметь примерно такой вид,
как это показано на рисун ке 6.13. Основной интерес для диа-
гностики места возникновения дефекта на этой диаграмме
имеет временное запаздывание второго, отраженного импуль-
са, от первичного импульса. Количественно это время было
затрачено «отраженным» импульсом на движение от места
возникновения к правому концу кабеля и возвращению об-
ратно до зоны возникшего дефекта. Движение от зоны дефекта
к левому концу кабеля у каждого импульса занимает одина-
ковое время, т.е. не изменяет время запаздывания.
Точная диагностика места возникновения дефекта в кабель-
ной линии при практическом применении метода затрудняется
по нескольким причинам.
Во-первых, скорость движения электромагнитной вол-
ны в кабельной линии различна у кабелей различной марки.
Основная причина такого различия — различные свойства
диэлектриков и конструктивные отличия кабельных линий.
Из-за этого при одинаковом времени запаздывания прихода
«второго импульса» место расположения дефекта в кабельных
линиях может изменяться в зависимости от скорости движе-
ния импульса.
Во-вторых, реальная рефлектограмма может по форме
отличаться от идеальной, приведенной на рисунке 6.13. На
«полезные» сигналы от дефекта накладываются отражения
от соединений, муфт. Для устранения влияния этого эффек-
та можно при первичной калибровке прибора записывать
«опорную» рефлектограмму, снятую классическим способом.
По этой рефлектограмме можно уточнить скорость распро-
странения импульсов в данном кабеле и место расположения
муфт. Затем, в процессе эксплуатации прибора, при возникно-
вении реальных импульсов в линии запускается рефлектометр,
и картины распределения импульсов сопоставляются. Зная
точные расстояния до мест соединений, можно даже уточнить
место дефекта.
Рис. 6.13. Использование импульсов частичных
разрядов для поиска места дефекта
в кабельной линии.
В-третьих, измерение временного распределения импульсов
в кабельной линии под рабочим напряжением обычно услож-
няется наличием большого количества помех. Для подавления
случайных помех прибор системы мониторинга должен делать
несколько измерений, количество которых может достигать
нескольких сотен, усредняя полученную картину. После та-
кой процедуры на временной диаграмме останутся только
стабильные, повторяющиеся импульсы.
Существует достаточно большое количество дефектов в
изоляции кабельных линий, которые характеризуются невы-
соким уровнем интенсивности частичных разрядов, даже на
самых последних стадиях их развития. Особенно это актуально
для кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.
С учетом наличия большого количества внешних помех, при-
сутствующих в кабельной линии в режиме «on-line», процедура
диагностирования таких дефектов под рабочим напряжением
по уровню и распределению частичных разрядов сопряжена с
большими трудностями.
Такие дефекты могут быть диагностированы при помощи
рефлектограмм, но проблема остается той же, из-за низкого
уровня частичных разрядов в таких дефектах невозможно даже
зарегистрировать «прямой» импульс. Что же можно тогда го-
ворить о регистрации «отраженного» импульса, пришедшего
от противоположного конца кабельной линии, многократно
затухшего?
При помощи систем мониторинга изоляции кабельных
линий можно провести локацию зоны возникновения и та-
ких дефектов в изоляции. Только в этом случае в качестве
зондирующего импульса необходимо использовать не им-
пульс частичного разряда, который очень мал по амплитуде,
а импульс «внешней высокочастотной помехи». Попробуем
пояснить условия такой диагностики.
Система мониторинга переводится в режим регистрации
рефлектограммы, но аналоговый порог начала регистрации,
определяемый по амплитуде входного сигнала отдатчика, под-
нимается достаточно высоко, много выше уровня помех в ка-
бельной линии. В этом режиме система мониторинга находится
до тех пор, пока в кабель извне не поступит высокочастотная
помеха большой амплитуды. После этого импульс внешней
помехи принимается системой за «зондирующий импульс»,
и производится стандартная процедура регистрации рефлек-
тограммы. Если и в этом случае в рефлектограмме не удается
надежно идентифицировать в сигнале отраженный импульс,
порог запуска на регистрацию поднимают еще выше, и система
ожидает очередную высокочастотную помеху необходимой
амплитуды и с нужными частотными свойствами.
Для повышения помехозащищенности регистрации реф-
лектограммы эту процедуру регистрации повторяют несколь-
ко раз, добиваясь повторяющихся результатов измерения и
диагностики места возникновения дефекта в изоляции. Это
является залогом достоверности проводимой диагностики
состояния изоляции кабельной линии.
6.3.4. Конфигурация системы мониторинга
кабельной линии небольшой длины.
До сих пор мы рассматривали мониторинг кабельных ли-
ний, имеющих международную классификацию «MV» (Medium
Voltage) — кабели среднего напряжения. Это кабельные линии
«предпоследнего уровня» распределения энергии, поставляю-
щие энергию к понижающим трансформаторам 10/0,4 (6/0,4) кВ
или к высоковольтным электродвигателям такого же рабочего
напряжения. Под последним уровнем распределения энергии
мы понимаем распределительные кабельные линии 0,4 кВ.
Для примера рассмотрим систему мониторинга кабельной
линии с рабочим напряжением ПО кВ, относящейся к катего-
рии «HV» (High Voltage) — высоковольтный кабель. Такая ка-
бельная линия выполнена в виде группы однофазных кабелей.
Каждая фаза кабельной линии проложена отдельно и требует
отдельного контроля частичных разрядов с двух сторон.
На рисунке 6.14. приведен вариант мониторинга кабельной
линии указанного напряжения, имеющей длину до 1—2 км.
Данное значение длины контролируемой КЛ отражает тот
факт, что вдоль линии или по иному пути может быть проло-
жена оптическая линия связи, информационно объединяющая
модули «OVM», установленные на двух концах кабельной ли-
нии в единую систему. До тех пор, пока имеется такая техниче-
ская возможность, т.е. можно информационно связать модули
на обеих сторонах кабельной линии оптическим волокном,
следует использовать такую структуру системы мониторинга
изоляции.
На поводках заземления каждой фазы кабельной линии с
двух сторон устанавливаются датчики типа «RFCT» и модули
«OVM». Приборы «OVM», расположенные на одной стороне
кабельной линии, объединяются между собой при помощи
оптических линий.
Phase A
Рис. 6.14. Схема системы мониторинга изоляции
на основе модулей «OVM», предназначенной
для кабельных линий длиной до 1—2 км.
Вдоль контролируемой кабельной линии, на рисунке это
показано вдоль кабеля фазы «А», также прокладывается опти-
ческая линия связи, объединяющая все 6 модулей «OVM»
в единую систему комплексного мониторинга.
Седьмой модуль «OVM» на приведенной схеме не произ-
водит измерений частичных разрядов, он является главным
в системе мониторинга. Он осуществляет управление всеми
6 модулями регистрации, производит сбор зарегистрирован-
ной информации и передачу ее в персональный компьютер.
На персональном компьютере устанавливается программное
обеспечение мониторинга, диагностики дефектов и локации
места возникновения дефектов в изоляции кабельной ли-
нии.
При каждом включении системы мониторинга в режим ре-
гистрации импульсов частичных разрядов в кабельной линии
проводится процедура автоматической диагностики техни-
ческого состояния модулей. Происходит не только проверка
состояния датчиков и модулей, но выполняется процедура
определения временных задержек при передаче служебной
информации по оптическим линиям связи. Это делается по-
тому, что скорость движения импульсов частичных разрядов
в контролируемом кабеле соизмерима со скоростью движения
управляющих импульсов в оптическом кабеле. Только при
синхронизации времени в отдельных модулях с точностью до
наносекунды возможно проведение синхронной регистрации
информации.
Зарегистрированной модулями информации достаточно
для:
- Определения общего технического состояния изоляции
кабельной линии.
- Выявления фазы контролируемой кабельной линии,
в которой произошло ухудшение состояния изоляции.
- Определения типа дефекта, который привел к повышению
уровня частичных разрядов.
- Локации места возникновения дефекта в линии с точно-
стью до нескольких метров вдоль кабельной линии.
6.3.5. Конфигурация системы мониторинга изоляции
длинной высоковольтной кабельной линии.
На рисунке 6.15. приведена схема системы мониторинга
кабельной линии, длина которой превышает 2 км, или когда
отсутствует техническая возможность прокладки оптической
РС1 РС2
Рис. 6.15. Схема мониторинга изоляции кабельной линии
большой длины при помощи приборов типа «OVM».
линии связи, объединяющей диагностические приборы, распо-
ложенные с двух сторон контролируемой кабельной линии.
В этой схеме также установлены модули «OVM», регистри-
рующие импульсы с каждого конца каждой фазы кабельной
линии. Отличие заключается в том, что с каждой стороны кабе-
ля устанавливается по компьютеру. Связь между компьютерами
может осуществляться любым стандартным способом, вплоть
до использования модемов, так как она предназначена только
для сбора уже зарегистрированной информации в головной
компьютер системы, обозначенный на схеме как РС1.
Критичным для регистрации импульсов частичных разря-
дов является синхронность запуска на регистрацию всех при-
боров «OVM». Погрешность запуска модулей на регистрацию
не должна превышать 50 наносекунд. Только в этом случае
погрешность определения места возникновения дефекта при
локации не превысит величину в 40 метров длины кабеля. Для
диагностики места возникновения дефекта было бы хорошо
иметь более высокую точность синхронизации внутренних
часов модулей, но, к сожалению, таковы технические возмож-
ности системы GPS.
Синхронизация запуска модулей на регистрацию осущест-
вляется при помощи использования импульсов от системы гло-
бального позиционирования GPS. При помощи сигналов этой
системы происходит синхронизация внутренних часов модулей
с одной и с другой сторон кабельной линии с точностью не
хуже ±50 наносекунд. После такой процедуры внутренние часы
модулей идут синхронно относительно необходимой точности
регистрации в течение нескольких секунд. За это время модули
производят регистрацию импульсов частичных разрядов с
регистрацией времени прихода импульса к прибору.
Регистрация информации отдатчиков происходит не по-
стоянно, а только в те моменты времени, когда входной им-
пульс превышает некоторое пороговое значение напряжения
на входе данного прибора. Если бы проводить непрерывную
регистрацию, то понадобились бы очень большие ресурсы па-
мяти, необходимые для оперативного хранения зарегистриро-
ванной информации. Кроме того, в этом случае неоправданно
сильно увеличилось бы время выбора и анализа информации
об импульсах частичных разрядов в кабельной линии.
После завершения процесса регистрации вся информация
собирается в головном компьютере системы мониторинга, где
нормализуются по времени регистрации импульсов, и анали-
зируется. Оценивается как общий уровень частичных разрядов,
так и наличие конкретных типов дефектов.
6.3.6. Использование систем мониторинга
для контроля состояния соединительных
муфт кабельной линии.
Соединительные муфты являются ответственным элемен-
том всех кабельных линий. Значительная часть реальных ава-
рийных ситуаций с длительно эксплуатируемыми кабельными
линиями возникает именно в результате ухудшения состояния
соединительных муфт. С увеличением срока эксплуатации
кабельной линии количество муфт, смонтированных на ней,
неуклонно увеличивается.
С технической точки зрения, опираясь на использование
методов регистрации частичных разрядов, контролировать
состояние соединительных муфт можно, используя два различ-
ных типа датчиков. Это могут быть высокочастотные импульс-
ные трансформаторы типа «RFCT», при помощи которых изме-
ряют импульсные сигналы в цепи заземления корпуса муфты.
Или же могут быть использованы акустические датчики типа
«AS», работающие в диапазоне частот 30—300 кГц. Датчики
такого типа широко используются в акустико-эмиссионных ис-
следованиях и в таких же системах мониторинга. Акустические
датчики жестко фиксируются на внешней поверхности корпуса
муфты и регистрируют акустический отклик от внутренних
частичных разрядов соединительной муфты.
Оба типа этих датчиков, предназначенных для регистрации
частичных разрядов в изоляции, имеют свои достоинства и
недостатки.
При использовании электрических датчиков для реги-
страции частичных разрядов в соединительных муфтах есть
вероятность, что в контролируемой кабельной линии будут
присутствовать импульсные помехи высокого уровня. Эти
импульсные сигналы обычно наводятся в линии от посторон-
них источников, которые чаще всего располагаются в других
высоковольтных объектах, так или иначе подключенных к
контролируемой линии. Наличие высокого уровня помех будет
существенно снижать достоверность проводимых измерений.
Для уменьшения влияния этих высокочастотных помех не-
обходимо использовать синхронную регистрацию импульсов
при помощи нескольких модулей «OVM», смонтированных
на контролируемой кабельной линии. Совместный анализ
полученной всеми приборами информации позволяет эф-
фективно отстраиваться от внешних помех в контролируемой
кабельной линии.
При использовании акустических датчиков, монтируемых
на поверхности СМ, влияние высокочастотных импульсов, на-
веденных в кабеле от других источников, невелико, так как они
не вызывают акустических волн в контролируемой муфте. При
использовании акустических датчиков критичными являются
внешние акустические воздействия на контролируемую муф-
ту, приводящие к появлению «ложных» сигналов. Особенно
сильно это проявляется при «открытой» прокладке кабель-
ных линий внутри цехов, по улице, по различным кабельным
эстакадам. Во всех этих случаях акустическая зашумленность
зарегистрированных сигналов будет очень большой, а отстро-
ится от этих шумов сложно, так как их частотные свойства,
периодичность и место возникновения чаще всего бывают
непредсказуемыми.
К недостаткам использования акустических датчиков типа
«AS» для регистрации ЧР в соединительных муфтах можно
также отнести низкую точность определения реального уровня
ЧР в муфте, так как откалибровать такой измерительный канал
на месте практически невозможно. Кроме того, экспертный
анализ типа имеющегося дефекта в изоляции на основании
анализа акустических сигналов реально очень сложен, а если и
возможен, то только индивидуально, при помощи хорошо под-
готовленных экспертов. Для сравнения можно еще раз напом-
нить, что при использовании информации от электрических
датчиков тип дефекта может быть определен автоматически,
при помощи входящей в поставку экспертной системы нашей
разработки, имеющей торговую марку «PD-Expert».
Системы контроля состояния соединительных муфт,
с точки зрения общей идеологии мониторинга, бывают двух
типов. Это может быть составная часть в составе обобщенной
системы мониторинга изоляции кабельной линии, что бывает
чаще всего. Или же это может быть индивидуальная система
мониторинга соединительных муфт, узкоспециализированная,
предназначенная только для контроля изоляции нескольких,
наиболее ответственных, соединительных муфт.
На рисунке 6.16. приведена принципиальная схема такой
специализированной системы мониторинга, предназначен-
ной только для контроля состояния соединительных муфт
нескольких кабельных линий. В рассматриваемом варианте
системы мониторинга контролируется состояние 4 соедини-
тельных муфт на трех кабельных линиях. В схеме используется
5 модулей типа «OVM».
Рис. 6.16. Схема мониторинга изоляции
соединительных муфт при помощи
Четыре модуля,
с номерами 2—5,
контролируют со-
стояние изоляции
4 кабельных муфт.
Модуль с номером 1
является главным в
системе мониторин-
га, он управляет из-
мерительными моду-
лями, собирает с них
зарегистрированную
информацию и пере-
дает ее в персональ-
ный компьютер со
специальным ПО
мониторинга. На
этом же компьютере
работает автоматизированная экспертная система «PD-Expert»,
предназначенная для диагностики дефектов и локации места
их возникновения.
6.4. Калибровка схем измерения частичных
разрядов
Калибровка кабельных линий может производиться при по-
мощи калибровочного генератора типа GKI двумя способами.
Наиболее простым способом является «прямое» инжектиро-
вание калибровочных импульсов в жилы контролируемого
кабеля. Такая схема калибровки показана на рисунке 6.17.
Импульсы с калибровочного генератора марки GKI-2 или
любого другого подаются в одну или сразу во все фазы контро-
лируемой кабельной линии. На основании анализа выходного
напряжения датчика марки RFCT, измеренного в mV, рассчи-
тывается чувствительность измерительной схемы в рК. Поря-
док расчета коэффициента чувствительности измерительной
схемы приведен в главе 8 настоящего руководства.
На рисунке 6.17. показано, что калибровочный генератор
может быть подключен с двух сторон контролируемой кабель-
ной линии. Такая двойная калибровка чувствительности из-
мерительной схемы имеет практический смысл. Во-первых,
становится видно, что вне зависимости от места возникновения
Рис. 6.17. Калибровка схемы измерения частичных разрядов
в кабельной линии «прямым» инжектированием
тестовых импульсов.
дефекта мы зарегистрируем частичные разряды при помощи
датчика, установленного с одной стороны кабельной линии.
Во-вторых, можно определить амплитудный коэффициент
затухания импульсов в кабельной линии. Это позволит более
правильно определить пороговые значения амплитуд частич-
ных разрядов, соответствующих тревожному и аварийному
уровням.
Вторым способом подачи калибровочного импульса в кон-
тролируемую кабельную линию является использование до-
полнительной «искусственной» емкости. В качестве емкости
обычно используется фольга, которой сверху обматывается
жила (жилы) контролируемого кабеля. Тестовые импульсы
поступают от калибровочного генератора в кабель через ем-
кость, образуемую фольгой и жилой кабельной линии. Чув-
ствительность измерительной схемы рассчитывается так же,
как и в предыдущем случае.
7. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ ПО РАЗРЯДНЫМ
ПРОЦЕССАМ, КОНТРОЛЬ
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЛЭП
Описание систем непрерывного контроля состояния изо-
ляции применительно к воздушным линиям электропередачи
(ЛЭП) в наименьшей мере подходит к теме данной методиче-
ской работы. Скажем важную фразу, поясняющую это заявле-
ние — в подвесной изоляции воздушных линий частичных раз-
рядов нет, а если даже они и есть (мы этот вопрос обсуждать не
будем, он выходит за рамки нашего описания), то мы не имеем
реальных технических возможностей для их регистрации.
Нам доступны для регистрации, а, следовательно, и для
анализа, разряды большой интенсивности, значительно пре-
вышающие по амплитуде частичные разряды. Мы не будем
заниматься их классификацией и дифференцированием, это
отдельная и большая тема. Скажем только, что нам интересны
те высокочастотные импульсы, которые достигают наших дат-
чиков, всегда установленных на концах контролируемой воз-
душной линии. Обо всех остальных импульсах, существующих
в воздушных линиях, нет смысла даже говорить, они нам не-
доступны, как практически, так и на аналитическом уровне.
Амплитуда, энергия, мощность и другие параметры высоко-
частотных импульсов, которые мы можем зарегистрировать в
воздушных линиях при помощи своих приборов, могут иметь
различные значения, но их измеренные количественные зна-
чения обычно нам не очень важны по двум причинам.
Во-первых, затухание высокочастотных импульсов в ЛЭП
всегда очень велико, и, самое главное, оно не является стацио-
нарным, т.е. может периодически изменяться. Приведем самый
простой пример этой изменчивости — появление атмосферных
осадков вдоль трассы линии может изменить затухание высоко-
частотных импульсов в ЛЭП в несколько раз. Этот фактор не
позволяет корректно определить энергетические параметры
регистрируемых высокочастотных импульсов, распределенных
вдоль контролируемой линии.
Во-вторых, это можно также считать следствием перво-
го пункта, вся диагностика состояния подвесной изоляции
воздушных линий строится на сравнительном анализе, на
использовании обычного временного тренда. Чаще всего диа-
гностический подход базируется даже на более простом диа-
гностическом признаке — наличии или отсутствии высокоча-
стотных импульсов в контролируемой воздушной линии. Этого
бывает вполне достаточно для принятия решения о необходи-
мости проведения ремонтных работ на линии, особенно если
сведения об импульсах дополнены данными, уточняющими
место возникновения разрядных процессов в линии.
Возникает естественный вопрос — а что же мы вообще-то
собираемся регистрировать в воздушных линиях электропе-
редачи, какие высокочастотные импульсы, какой физической
природы возникновения? Ответ на этот вопрос достаточно
прост и однозначен, мы собираемся регистрировать импульсы
двух типов, возникающие в изоляции воздушных линий по
двум разным причинам. Это:
- Высокочастотные импульсы, возникающие при появле-
нии различных дефектов (разрядных процессов) в подвесной
изоляции воздушных линий. Очевидно, что эти дефекты в
изоляции должны быть достаточно развитыми, чтобы воз-
никающие импульсы имели достаточно большую амплиту-
ду и энергию. Только в этом случае они смогут, не затухнув,
преодолеть «длинную линию». Именно поэтому мы стараемся
говорить (надеемся, что читатель это уже заметил) о разряд-
ных процессах в подвесной изоляции воздушных линий, а
не о частичных разрядах, возникающих в той же подвесной
изоляции.
- Импульсы грозовых и коммутационных перенапряжений,
наводимых на контролируемую линию, и высокочастотные
импульсы, сопровождающие процессы коротких замыканий в
линии, различной природы возникновения. Все эти импульсы
достаточно близки друг другу по своим параметрам. Они не
связаны с разрядными процессами в подвесной изоляции, но
оказывают заметное влияние на особенности эксплуатации
ЛЭП. По своей энергии эти импульсы существенно мощнее
разрядов в подвесной изоляции и могут быть зарегистрированы
менее чувствительным измерительным оборудованием.
Регистрации и анализу высокочастотных импульсов этих
двух типов, которые практически всегда присутствуют в воз-
душных линиях, и посвящен данный раздел нашего методи-
ческого руководства.
7.1. Датчики для контроля разрядных
процессов в воздушных линиях
Вопрос выбора первичных датчиков для регистрации раз-
рядных процессов в воздушных линиях является достаточно
сложным, что обусловлено конструктивными особенностями
контролируемого оборудования и малой доступностью мест
установки датчиков. Тем не менее, приемлемые технические
решения этого вопроса есть, и мы постараемся рассмотреть
основные из них, наиболее известные.
7.1.1. Установка конденсаторов связи
на воздушных линиях.
Идея применения конденсаторов связи для измерения
высокочастотных импульсных процессов в высоковольтных
воздушных линиях разработана давно и имеет очень широкое
распространение на практике. Таким способом передается и
голосовая, и телеметрическая информация. Причина этого
понятна — организация ВЧ-связи по проводам ЛЭП возможна
только с использованием конденсаторов связи, которые раз-
деляют напряжение промышленной частоты и «полезную»
информацию.
Название такого конденсатора однозначно определяет цель
его использования — создание каналов высокочастотной связи.
Промышленностью производятся и широко используются на
Рис. 7.1. Измерительные
конденсаторы связи для наружной
и внутренней установки.
практике высоковольт-
ные конденсаторы связи
с рабочим напряжением
до 500 кВ.
Мы же используем
свои, специализиро-
ванные конденсаторы
связи для организации
регистрации высокоча-
стотных импульсов от
разрядов в подвесной
изоляции воздушных
линий. Примеры таких
измерительных конден-
саторов связи приведе-
ны на рисунке 7.1. Слева
показан конденсатор связи, предназначенный для «наружной»
установки, а справа - конденсаторы связи для монтажа внутри
помещений.
Для регистрации высокочастотных импульсных сигналов
в воздушных линиях, возникающих в подвесной изоляции,
можно использовать конденсаторы связи обоих типов, как
предназначенные для организации ВЧ-связи по проводам ЛЭП,
так и специализированные, предназначенные для измерения
частичных разрядов в высоковольтной изоляции различного
оборудования.
Конденсаторы связи, используемые для организации ВЧ-
связи по проводам ЛЭП, имеют некоторые отличия от кон-
денсаторов связи, специально изготавливаемых и устанав-
ливаемых для измерения частичных разрядов в изоляции
высоковольтного оборудования. В основном они различаются
величиной рабочей емкости высоковольтного конденсато-
ра связи. Конденсаторы, предназначенные для организации
высокочастотной связи, обычно имеют емкость порядка 4,4
нФ и более, тогда как измерительные конденсаторы связи,
применяемые для регистрации частичных разрядов, обычно
имеют емкость 80 пФ.
Вопрос о том, какой конденсатор подходит для измерения
разрядных процессов в воздушных линиях — конденсаторы
ВЧ-связи или конденсаторы, предназначенные для регистра-
ции частичных разрядов, не имеет одного решения, так как
подходят оба типа конденсаторов связи. Вопрос такого выбора
можно сформулировать несколько иначе: а какое значение
емкости конденсатора связи является оптимальным?
С одной стороны, чем больше величина емкости конден-
сатора связи, тем более высокую чувствительность можно по-
лучить при измерении высокочастотных разрядов. Это гово-
рит в пользу использования измерительных конденсаторов с
большей емкостью.
Однако, с другой стороны, за увеличение емкости конден-
сатора связи приходится «расплачиваться», в основном, в мате-
риальном плане. Конденсатор емкостью 4400 пФ значительно
больше, чем конденсатор емкостью 80 пФ, и значительно доро-
же. Кроме того, такой измерительный конденсатор потребляет
из сети большую реактивную мощность, что не всегда прием-
лемо по условиям эксплуатации схемы измерения частичных
разрядов в высоковольтной изоляции.
Иногда вопрос выбора типа конденсатора связи, предна-
значенного для измерения частичных разрядов в воздушных
линиях, величины его емкости, не имеет практического зна-
чения. Это касается тех случаев, когда на концах линии уже
смонтированы конденсаторы связи, т.е. когда по линии, на
которой предполагается монтировать систему контроля изо-
ляции, уже организован канал передачи информации в ВЧ-
диапазоне частот. В этом случае необходимо только «грамотно»
и аккуратно подключиться к имеющимся высокочастотным
цепям организации ВЧ-связи.
В системах организации ВЧ-связи подключение к проводам
ЛЭП осуществляется при помощи двух элементов — самого
конденсатора связи и высокочастотного блока. Практически
это выглядит следующим образом — вывод конденсатора связи
проводником подключается к ВЧ-блоку, расстояние между
которыми обычно невелико. Для измерения частичных раз-
рядов в линии в этом случае проще всего использовать датчик
типа RFCT, наиболее подходящий для этого случая. Датчик
просто одевается на проводник, соединяющий между собой
конденсатор связи и ВЧ-блок системы связи.
Здесь важно понимать следующее, что при наличии ВЧ-
связи в контролируемой линии другого реального способа
подключения приборов регистрации разрядных процессов в
подвесной изоляции воздушной линии, кроме использования
уже имеющихся конденсаторов связи, на самом деле нет. Это
объясняется тем, что после места подключения конденсаторов
ВЧ-связи к воздушной линии обычно располагаются высоко-
частотные заградители различных типов. Эти заградители
предназначены для того, чтобы «полезный ВЧ-сигнал» не
проникал из воздушной линии вглубь подстанции и не за-
мыкался в установленном там различном высоковольтном
оборудовании, т.е. для повышения качества передаваемой по
линии информации.
Данное заключение о конфигурации измерительной схемы
можно трактовать следующим образом: если мы, например,
захотим использовать в виде датчиков разрядных процессов
в воздушной линии высоковольтные ввода силового транс-
форматора, подключенного к контролируемой линии, то мы
будем регистрировать с них очень ослабленные сигналы раз-
рядов в подвесной изоляции. Причина этого проста и понятна
— скажется влияние высокочастотных заградителей, предна-
значенных для предотвращения затухания информационных
сигналов внутри оборудования подстанции.
При создании «бюджетных» систем мониторинга подвесной
изоляции воздушных линий иногда можно ограничиваться
установкой только одного конденсатора связи на каждом конце
контролируемой линии, на одной из фаз. Эта конфигурация
системы мониторинга может работать на линиях невысокого
напряжения, когда расстояние между фазными проводами
невелико, взаимная емкость достаточно велика, и происходит
наводка высокочастотных импульсов с одной фазы на другую.
Естественно, что при такой конфигурации измерительной
схемы системы мониторинга чувствительность измеритель-
ного прибора к дефектам в подвесной изоляции линии будет
несколько хуже, особенно на фазах без конденсаторов.
В максимальной степени это скажется на диагностике де-
фектов, находящихся в начальных стадиях своего развития.
Также, при использовании одного конденсатора связи, могут
возникать проблемы при проведении локации места возник-
новения дефектов по методу «time of arrival», когда будет иметь
место достаточно сложное распространение импульсов по
длине линии и между фазными проводами.
7.1.2. Использование в качестве датчиков разрядных
процессов в ЛЭП высоковольтных вводов
трансформаторов и выключателей.
Выше, в разделе данного методического руководства, отно-
сящегося к вопросам оценки технического состояния изоляции
трансформаторов различного типа, проводимой по уровню и
распределению частичных разрядов, мы уже показали, что
конструктивно высоковольтный ввод относительно выво-
да последней обкладки (ПИН) является последовательным
емкостных делителем.
Это замечание справедливо как для маслонаполненных
высоковольтных вводов, так и для вводов с твердой изоляцией,
так как идеологически они выполнены абсолютно одинаково,
разница заключается только в используемых изоляционных
материалах. Главным условием является наличие ПИН — вы-
вода от последней обкладки, что выполняется для вводов с
рабочим напряжением 110 кВ и выше.
Схема использования емкостей высоковольтного ввода
для регистрации разрядных процессов в линии условно по-
казана на рисунке 7.2. Емкостный делитель, состоящий из
последовательно включенных емкостей С1 и СЗ, выделяет из
общего сигнала в контролируемой линии высокочастотные
импульсы.
Рис. 7.2. Схема, поясняющая использование
высоковольтного ввода в качестве конденсатора
связи для регистрации разрядных процессов
в воздушной линии.
У маслонаполненных вводов величина емкости С1 обычно
больше емкости СЗ в несколько раз. Пропорционально этим
значениям рассчитывается коэффициент деления напряжения
высокочастотного сигнала. У вводов с твердой изоляцией в
силу их конструктивных особенностей эти емкости примерно
равны, т.е. напряжение на них будет делиться в соотношении
один к одному. Так будет работать этот делитель напряжения
при отсутствии внешней нагрузки.
Подключение к ПИН ввода (по международной класси-
фикации он называется Test Тар) нагрузочного резистора «R»
и измерительного прибора, величина коэффициента деления
радикально изменяется. Для справки, величина нагрузочного
резистора «R» не может быть по условиям безопасности больше
1 кОм, а величина входного сопротивления прибора измерения
высокочастотных импульсов обычно равняется 50 Ом.
Чувствительность схемы измерения высокочастотных
импульсов в изоляции воздушной линии, использующая в
качестве емкостного делителя высоковольтный ввод трансфор-
матора, всегда будет хуже, чем та же схема при использовании
«истинного» конденсатора связи. Это ухудшение связано с
тем, что параллельно входным цепям измерительного прибора
подключены две паразитные ветви, по которым происходит
утечка полезного тока. Это емкость СЗ самого ввода, отключить
которую невозможно, и защитный резистор «R», без которого
измерительную схему подключать нельзя (в обычных режимах
работы ПИН, в целях безопасности, всегда принудительно
заземлен).
Обычно величина этого снижения чувствительности изме-
рительной схемы не является критической, делающей работу
системы регистрации высокочастотных импульсов невозмож-
ной. Со снижением общей чувствительности работы схемы
уменьшается амплитуда высокочастотных помех, в результате
общий динамический диапазон регистрируемых сигналов
обычно остается неизменным.
Как мы уже отмечали, в качестве емкостных делителей,
датчиков высокочастотных импульсов в воздушных линиях
могут быть использованы не только вводы силовых транс-
форматоров (с рабочим напряжением ВН от 110 кВ). Для этих
же целей могут быть использованы вводы выключателей, ре-
акторов, любые проходные вводы, подключенные к линии.
Естественно, что это возможно только в том случае, когда у них
есть вывод (ПИН - Test Тар) от последней обкладки, который
выведен наружу. Во всех этих случаях достигается уверен-
ная регистрация электромагнитных процессов в воздушных
линиях, проводимая при небольших затратах на первичные
датчики высокочастотных импульсов.
7.1.3. Использование электромагнитных датчиков —
антенн для контроля частичных разрядов
в воздушных линиях.
На практике ис-
пользуется достаточно
большое количество
методов и измеритель-
ных приборов, реали-
зующих эти методы,
основанных на изме-
рении излучения от
дефектов в подвесной
изоляции. Эти при-
боры регистрируют
тепловое, ультрафио-
летовое и другие типы
излучений от дефектов
Рис. 7.3. Переносной прибор
с электромагнитной антенной,
позволяющий регистрировать
высокочастотные импульсы
в воздушных линиях.
и дают достаточно надежную оценку технического состояния
изоляции воздушных линий.
Ниже мы рассмотрим только особенности применения при-
боров регистрации электромагнитного излучения от дефектов
в подвесной изоляции, так как только это является предметом
нашего методического руководства. Именно такие приборы по
своим техническим параметрам максимально близки к обо-
рудованию, предназначенному для регистрации частичных
разрядов в высоковольтной изоляции.
В самом простейшем виде контроль состояния подвесной
изоляции воздушных линий может быть осуществлен при по-
мощи перемещения вдоль линии приемника электромагнит-
ного излучения, работающего в частотном диапазоне свыше
400 МГц. Такое требование к диагностическому оборудованию
позволяет практически полностью избавиться от влияния
коронных разрядов.
Проще всего такой приемник можно установить на автомо-
биле, при помощи которого осуществляется осмотр воздушной
линии. В качестве приемного элемента можно использовать
обыкновенную, ненаправленную штыревую антенну. Если к
регистрирующему прибору подключить приемник системы
GPS, то регистрацию сигналов можно вести в автоматиче-
ском режиме. В этом случае от линейных обходчиков не будет
требоваться высокая квалификация в вопросах диагностики,
а полученная информация будет анализироваться подготов-
ленными специалистами уже в более комфортных условиях
лаборатории.
Использование такого упрощенного комплекта оборудо-
вания наиболее эффективно в условиях контроля состояния
воздушных линий, проходящих по удаленным местам, где мал
уровень внешних помех. Проведение измерений разрядных
процессов в условиях промышленно развитых территорий,
где проложено большое количество воздушных линий, много
источников индустриальных электромагнитных помех, эф-
фективность применения такого комплекта диагностического
оборудования существенно ниже.
Повысить помехозащищенность работы прибора контроля
электромагнитного излучения, возникающего в зонах дефектов
в подвесной изоляции, можно, например, за счет применения
направленных антенн. Однако в этом случае резко возрастают
затраты на проведение диагностических работ, так как в этом
случае все работы уже должны проводиться подготовленными
специалистами.
Необходимо хорошо понимать, и мы это специально повто-
ряем, что требования к помехозащищенности такого измери-
тельного оборудования существенно ниже, чем к оборудованию
регистрации частичных разрядов. Это обусловлено тем, что мы
регистрируем электромагнитное излучение от дефектов в под-
весной изоляции, мощность которых на несколько порядков
выше, чем интенсивность частичных разрядов.
В данном случае, хотим мы этого или не хотим, но мы всегда
регистрируем электромагнитные импульсы, которые по ам-
плитуде «выше уровня шума». Мы ни теоретически, ни прак-
тически при регистрации не сможем избавиться от разрядов,
создающих этот «базовый» уровень шума. Это обусловлено тем,
что мы не можем контролировать источники этих шумовых
разрядов, пути проникновения этих разрядов и много других
важных параметров, определяющих этот уровень. Мы также
не можем установить необходимое количество референсных
датчиков, которые позволили бы отстроиться от всех внешних
помех. Количество таких датчиков было бы непредсказуемо
велико.
То, что мы регистрируем разряды от уже достаточно раз-
витых дефектов в подвесной изоляции воздушных линий, не
снижает важности применения данного метода диагностики.
Конечно, уменьшается «разрешенный» интервал времени от
момента возможной регистрации развивающегося дефекта в
изоляции до «критического» момента времени, когда еще могут
быть выполнены ремонтные работы и можно предупредить
аварийную ситуацию. Но в любом случае, этот интервал вре-
мени для принятия решения есть, и предупредить аварийное
разрушение подвесной изоляции еще можно.
7.1.4. Локация мест возникновения дефектов
в подвесной изоляции ЛЭП.
Под локацией мест возникновения дефектов в подвесной
изоляции воздушных линий по параметрам разрядных про-
цессов можно понимать три разных практических варианта,
использующих различные технические устройства регистра-
ции высокочастотных импульсов.
Это:
- Локация мест возникновения дефектов в изоляции при
помощи дистанционного измерения ультразвукового излуче-
ния от разрядов.
- Локация мест возникновения дефектов в подвесной изо-
ляции при помощи регистрации разницы во времени прихода
импульсов, зарегистрированных на противоположных концах
контролируемой воздушной линии.
- Локация мест возникновения дефектов по разнице вре-
мени прихода электромагнитных импульсов к нескольким
антеннам, разнесенным в пространстве.
7.1.4.1.
Рассмотрение, как обычно, начнем с анализа акустиче-
ского метода регистрации разрядных процессов в подвесной
изоляции воздушных линий. Вполне очевидно, что такая ре-
гистрация сигналов от разрядов в подвесной изоляции может
производиться только дистанционно, бесконтактным спосо-
бом. Мы не можем касаться датчиком проводов линии, находя-
щихся под высоким напряжением, необходимо регистрировать
Рис. 7.4. Использование
акустического прибора
«ULTRAPROB» для регистрации
разрядных процессов.
акустическое излучение от разрядов при помощи датчика,
устанавливаемого на безопасном расстоянии.
В этом случае оптимальным является использование аку-
стических приборов дистанционный регистрации сигналов в
диапазоне частот от 20 до 100 кГц. К ним относится широко
известный ультразвуковой прибор марки «ULTRAPROB» про-
изводства фирмы «UE Systems» или прибор «UltraTest» про-
изводства фирмы «DIMRUS». Такие же приборы выпускает
фирма «LEM КЕ», а также ряд других фирм.
Измерение разряд-
ной активности в изо-
ляции высоковольтного
оборудования прибором
«ULTRAPROB» иллюстри-
руется на рисунке 7.4., по-
заимствованном у фирмы-
производителя данного
диагностического обору-
дования.
Применение этого при-
бора не вызывает методи-
ческих затруднений, но его
чувствительность сравни-
тельно невелика, и он не
может регистрировать вы-
сокочастотные импульсы
на значительных удалени-
ях, что бывает важным для воздушных линий высших классов
рабочего напряжения.
Вторым недостатком использования такого прибора явля-
ется необходимость «обхода» всех потенциальных мест воз-
никновения дефектов, т.е. необходимо проехать или пройти
вдоль всей контролируемой воздушной линии, длина которой
может быть очень большой, до сотни километров.
По этим двум причинам акустические приборы этого типа
имеют ограниченное применение и достаточно редко применя-
ются для выявления мест возникновения дефектов в подвес-
ной изоляции воздушных линий. Чаще всего их используют в
рамках одного энергетического объекта, одной подстанции.
77.42
Локация места возникновения дефекта в подвесной изо-
ляции воздушной линии на основании анализа времени ре-
гистрации импульсов на краях линии.
Это классическая реализация метода локализации типа
«time of arrival», основанная на точном измерении разницы
во времени прихода высокочастотных импульсов от дефекта
к двум концам линии. Применение этого метода локации ил-
люстрируется при помощи рисунка 7.5.
OVM
RxTx RxTx
1 OVM
RxTx RxTx
Рис. 7.5. Локация места возникновения дефекта
в ЛЭП на основании измерения времени
прихода импульса к концам линии.
На этом рисунке показано, что система мониторинга и ло-
кации места возникновения дефекта подвесной изоляции соз-
дана при помощи двух измерительных приборов типа «OVM-З»
производства фирмы «DIMRUS». Система с аналогичными
диагностическими свойствами может быть создана на осно-
ве и другого измерительного оборудования, произведенного
другими фирмами.
Для реализации функции локации места возникновения
дефекта два измерительных прибора «OVM-З» должны быть
очень точно синхронизированы по времени при помощи сиг-
налов системы глобального позиционирования, например,
при помощи системы GPS. Только это дает возможность с
высокой точностью определять разницу во времени прихода
импульсов от разряда в подвесной изоляции или от другого
типа разряда в линии, к датчикам, расположенным на концах
воздушной линии, подключенных к приборам типа «OVM».
Именно на основании анализа этой разницы во времени при-
хода импульсов «АТ», показанной на рисунке 7.5., решается
задача о локации места возникновения дефекта изоляции в
воздушной линии.
Точность определения места дефекта зависит, в основном,
от точности синхронизации внутренних часов измерительных
приборов. Реальная точность работы данной системы локации
обычно составляет плюс-минус 50 метров. На практике это со-
ответствует понятию локации «с точностью до опоры». Такой
точности локации вполне достаточно для практических целей,
так как дефекты подвесной изоляции могут располагаться
только на опорах воздушной линии.
Алгоритм локации места возникновения разрядов по методу
«time of arrival» очень прост. Если импульс от разряда в месте
дефекта придет к обоим измерительным приборам одновре-
менно, то дефект находится точно посередине контролируемой
линии. Соответственно, если к какому-либо прибору импульс
придет раньше, то это означает, что дефект располагается ближе
к данному концу воздушной линии. Количественное значение
такого смещения определяется с учетом скорости движения
волны электромагнитного поля, равной скорости света.
71.4.3.
Локация места возникновения дефекта в подвесной изо-
ляции воздушной линии при помощи набора антенн, раз-
несенных друг от друга.
Этот метод базируется на решении классической триангу-
ляционной задачи. В качестве первичной информации в ней
используется разновременность прихода сигнала одного и
того же электромагнитного импульса к нескольким, обычно
четырем, ненаправленным антеннам. Эти антенны подклю-
чаются к одному прибору, осуществляющему синхронную
регистрацию всех четырех сигналов.
Принцип работы данного метода электромагнитной лока-
ции поясняется при помощи рисунка 3.17. На рисунке показаны
4 электромагнитных антенны, расположенные по сторонам
условного квадрата. Сигналы от антенн регистрируются одним
прибором, в котором также производится оперативное решение
триангуляционной задачи. Для примера, на рисунке показаны
четыре сигнала, зарегистрированные от одного высокочастот-
ного импульса, возникшего в изоляции линии.
Результатом решения триангуляционной задачи является
определение двух основных параметров — направления на
дефект и расстояния до места дефекта. Чем с большей точно-
стью будет определяться время прихода импульса к каждой
антенне, тем точнее будут результаты локации места дефекта
в изоляции.
Данный метод локации места дефекта достаточно трудно
реализуется на аппаратном уровне. Проблема заключается в
том, что для исключения влияния коронных разрядов реги-
страцию импульсов приходится вести в UHF-диапазоне частот,
т.е. на частотах, превышающих 400 МГц. Иначе отстроится от
импульсов коронных разрядов в данном методе невозможно.
Создание оборудования, синхронно регистрирующего такие
частоты, порядка одного ГГц сразу по всем четырем каналам
сопряжено с большими техническими сложностями.
Второй проблемой, возникающей при создании такого реги-
стрирующего оборудования, является то, что исходный сигнал
от дефекта в изоляции движется с очень большой скоростью,
равной скорости света. Один метр расстояния импульс «проле-
тает» по воздуху за время, чуть большее, чем три наносекунды.
Поэтому для получения большей точности желательно антен-
ны разносить на возможно большее расстояние друг от друга.
Однако если комплект такого диагностического оборудования
смонтирован на автомобиле, то разнести антенны друг от дру-
га более чем на два метра практически невозможно. По этой
причине необходимо с очень большой точностью, меньшей,
чем одна наносекунда, определять время прихода импульса
к каждой электромагнитной антенне. Эта задача также явля-
ется технически сложной и трудно, дорого реализуемой.
Тем не менее, такие технические решения существуют, ис-
пользуются на практике и дают интересные диагностические
результаты. Наиболее интересными и практически значимы-
ми являются два технических варианта реализации данного
метода:
- Передвижная система локации мест возникновения де-
фектов в подвесной изоляции воздушных линий, смонтиро-
ванная на автомобиле типа фургон или микроавтобус. Такой
автомобиль может осуществлять периодическую инспекцию
всей воздушной линии. Если эту систему электромагнитной
локации дополнительно снабдить приемником глобального по-
зиционирования и магнитным компасом, то всю регистрацию,
вдоль всей контролируемой линии, можно будет проводить
в автоматическом режиме. Также в автоматическом режиме
можно будет проводить и оценку технического состояния всей
подвесной изоляции контролируемой воздушной линии.
- Организация непрерывного мониторинга и локации де-
фектов изоляции воздушных линий всей подстанции или
иного энергетического объекта, осуществляемого при помощи
стационарной установки набора из четырех электромагнитных
антенн. В таком варианте монтажа системы имеется возмож-
ность разнести антенны друг от друга на большее расстояние,
что положительно скажется на итоговой точности процедуры
локации. Положительным аспектом в данном случае будет то,
что автоматически в состав контролируемого оборудования
будет включено все высоковольтное оборудование подстанции.
Такую систему мониторинга изоляции можно уже относить к
комплексным решениям, обеспечивающим при минимальном
наборе технических датчиков максимальную зону контроля.
Такое диагностическое решение является уникальным, ни
одна другая система мониторинга не сможет обеспечить такого
обобщенного подхода к диагностике комплекса высоковольт-
ного электротехнического оборудования.
7.2. Мониторинг состояния подвесной изоляции
воздушной линии на основании регистрации
и анализа разрядных процессов
Организация непрерывного контроля состояния подвесной
изоляции воздушных линий является наиболее эффективным
техническим решением, так как позволяет обеспечить самый
надежный контроль, проводимый без участия персонала, с
использованием современных систем автоматизированной
экспертной диагностики оборудования. Все эти высказыва-
ния в полной мере относятся к описываемым ниже системам
мониторинга состояния воздушных линий, основанным на
регистрации и анализе разрядных процессов в ЛЭП. Все эти
системы мониторинга являются средством контроля состоя-
ния изоляции одного из самых важных элементов в системе
передачи и распределения электрической энергии, состояния
воздушных линий передачи энергии.
В дополнение к уже описанной системе электромагнитного
мониторинга состояния изоляции воздушных линий, исполь-
зующей четыре пространственно разнесенные электромаг-
нитные антенны, контролирующей только один, локальный
участок линии, «видимый» с точки расположения антенн,
рассмотрим еще два варианта системы мониторинга, наиболее
часто встречающиеся на практике.
7.2.1.
Вариант системы мониторинга разрядных процессов в изо-
ляции воздушной линии, показанный на рисунке 7.6. Эта си-
стема мониторинга изоляции позволяет получать приемлемые
по точности результаты диагностики, относящиеся к практи-
чески всей линии с рабочим напряжением 110—500 кВ.
PCI РС2
Трансформатор 1 Трансформатор 2
Рис. 7.6. Мониторинг разрядных процессов в изоляции
воздушных линий 220—500 кВ.
Основу рассматриваемой системы мониторинга подвесной
изоляции составляют два одинаковых модуля марки «OVM-З»
производства фирмы «DIMRUS», смонтированные с каждой
стороны контролируемой воздушной линии. Понятно, что
система мониторинга изоляции с аналогичными свойствами
может быть создана и с использованием диагностического
оборудования, производимого другими фирмами, например,
производства фирмы «OMICRON».
К каждому измерительному каналу системы мониторинга
(к входным разъемам прибора «OVM-З») поступает сигнал
от первичного датчика, пропорциональный высокочастотным
импульсам разрядных процессов в подвесной изоляции фазы
воздушной линии, на которой установлен этот датчик. Оба из-
мерительных прибора «OVM-З» синхронизируются по времени
при помощи сигналов системы глобального позиционирова-
ния GPS, что позволяет проводить регистрацию информации
практически идеально синхронно. Компьютер РС1 служит в
системе мониторинга для сбора и обработки информации, на
нем работает программное обеспечение мониторинга, диа-
гностики и экспертной оценки.
В качестве датчиков первичной информации о разрядных
процессах в линии в данной системе мониторинга использо-
ваны ввода силовых трансформаторов, представляющих собой
емкостные делители. Как мы уже достаточно подробно писали
выше, это является одним из наиболее часто встречающихся
способов регистрации высокочастотных импульсов в воз-
душных линиях.
Система мониторинга с измерительными приборами типа
«OVM-З» имеет ряд дополнительных функций, очень полезных
для практики эксплуатации ЛЭП. Во-первых, она позволяет не
только определять общий уровень и интенсивность разрядных
процессов в изоляции контролируемой воздушной линии, но
и позволяет эффективно проводить локацию места возник-
новения дефектов в подвесной изоляции. Это значительно
повышает общую информативность ее работы.
Еще одним важным достоинством такой системы монито-
ринга изоляции, созданной на основе двух синхронно рабо-
тающих приборов регистрации, служит максимально большая
зона ответственности данной системы контроля изоляции.
При помощи первичных датчиков и двух приборов регистра-
ции высокочастотных импульсов, установленных только в
двух точках, а именно на концах контролируемой воздушной
линии, производится одновременная оценка технического
состояния подвесной изоляции всей контролируемой воз-
душной линии.
Конечно, такой подход к созданию систем мониторинга
изоляции воздушных линий имеет и некоторые весьма суще-
ственные недостатки. Например, импульсы от высокочастот-
ных разрядов, возникших в середине контролируемой воздуш-
ной линии, в точках регистрации будут иметь значительное
затухание, что обусловлено свойствами самой линии. Это в
конечном итоге не позволит определить истинный уровень
развития дефекта в этих точках подвесной изоляции.
Данный недостаток может быть почти полностью скомпен-
сирован при помощи процедуры полной калибровки линии.
Для этого можно попытаться снять рефлектограмму воздуш-
ной линии, но для этого придется использовать достаточно
мощный генератор импульсов. Чтобы определить затухание в
длинной линии, необходим калибровочный импульс с боль-
шой энергией.
Если провести калибровку удастся, то в этом случае мы
сможем определить очень важный параметр — полное зату-
хание тестового сигнала в линии. Знание этого параметра
поможет нам определить истинное значение амплитуды сиг-
нала в месте возникновения дефекта в изоляции. Для этого
мы должны взять амплитуду зарегистрированного сигнала от
дефекта в изоляции и скорректировать ее затухание, для чего
использовать расстояние от места возникновения дефекта.
В результате можно оценить истинную амплитуду высоко-
частотного сигнала, возникшего в месте дефекта в подвесной
изоляции воздушной линии.
Мы уже неоднократно отмечали очень важную особенность
проведения калибровки высокочастотных измерительных
цепей и повторим это снова. Для обеспечения достоверности
процедуры калибровки частотные свойства калибровочного
импульса должны быть близки к свойствам ожидаемых вы-
сокочастотных импульсов от дефектов в изоляции, которые
мы предполагаем регистрировать. В противном случае можно
получить очень большую погрешность, хотя это все равно
будет точнее, чем вообще без процедуры калибровки зату-
хания импульсов в линии. Также напоминаем еще раз, что
для калибровки воздушных линий необходимо использовать
импульсы большой энергии.
Необходимо сделать еще одно общее замечание по поводу
использования вводов трансформаторов в качестве датчиков
разрядных процессов в воздушной линии, в данном случае для
констатации положительных свойств такого подхода к изме-
рению разрядов в изоляции. Использование вводов трансфор-
маторов в системе мониторинга воздушной линии позволяет
одновременно решить две важные проблемы. С одной сторо-
ны, ввод трансформатора используется в качестве датчика,
с другой, сам трансформатор является «заградителем» для
высокочастотных импульсов, которые существуют «с другой
стороны» трансформатора, на другой воздушной линии, на-
пример, на стороне СН.
Вместо трансформаторных вводов в качестве датчиков
разрядных процессов в воздушных линиях можно также ис-
пользовать соответствующие выводы экранов измерительных
трансформаторов тока, в которых датчики частичных разрядов
можно смонтировать в цепи заземления этих экранов.
7.2.2.
Для создания систем мониторинга изоляции воздушных
линий более низкого напряжения, порядка 6—35 кВ, необхо-
димо использование более дешевых, но не менее эффективных
диагностических решений. В качестве варианта такого бюд-
жетного решения можно рассмотреть схему системы мони-
торинга изоляции, общая структура которой приведена на
рисунке 7.8.
Рис. 7.7. Мониторинг разрядных процессов в воздушных линиях
с рабочим напряжением 6—35 кВ.
В этой системе мониторинга с каждой стороны воздушной
линии устанавливается только один, более дешевый, одно-
канальный модуль регистрации высокочастотных импульсов
марки «0VM-1» и персональный компьютер, предназначенный
для реализации функции обмена информацией по стандарт-
ным каналам связи. Один из компьютеров, на рисунке 7.7. он
показан справа, обозначен РС2, может иметь упрошенную
конфигурацию, что также удешевит систему мониторинга.
Для воздушных линий с рабочим напряжением 6—35 кВ
для регистрации высокочастотных импульсов от разрядных
процессов в изоляции обычно используют конденсаторы связи,
о которых мы уже подробно писали выше. Такой выбор пер-
вичного датчика обусловлен тем, что вводы трансформаторов,
как и проходные изоляторы, рассчитанные на такое рабочее
напряжение, обычно имеют «простую» монолитную керами-
ческую конструкцию. По этой причине в них отсутствуют
внутренние, проводящие изолированные обкладки, пред-
назначенные для выравнивания распределения потенциала
внутри ввода. Это, соответственно, сразу же приводит к от-
сутствию внешнего вывода от последней обкладки и к невоз-
можности использовать ввод в качестве емкостного делителя
высокочастотных сигналов.
Синхронизация работы модулей марки «0VM-1», располо-
женных с двух сторон контролируемой воздушной линии,
осуществляется, как и для всех других систем мониторинга, с
разнесенными на большое расстояние измерительными при-
борами, с использованием сигналов от системы GPS.
Сигналы с датчиков (конденсаторов связи), установленных
во всех трех фазах контролируемой воздушной линии, по-
ступают в специализированный сумматор высокочастотных
импульсов, а далее на входы модулей «0VM-1». Использование
сумматора позволяет уменьшить количество каналов реги-
страции высокочастотных импульсов, что снижает стоимость
системы мониторинга. Недостатком использования трехфаз-
ного сумматора высокочастотных импульсов является то, что
в такой системе мониторинга не удастся выявить, а в какой же
фазе воздушной линии возник дефект в изоляции.
В остальном по своим свойствам данная система мониторин-
га подвесной изоляции близка к системе, описанной выше.
7.3. Регистрация импульсных и грозовых
перенапряжений в линиях.
Контроль мест коротких замыканий
и обрывов
В настоящее время в энергосистемах значительно возрастает
роль технических средств, предназначенных для регистрации
и анализа импульсных воздействий на высоковольтное обо-
рудование. В настоящее время это является одним из самых
сложных и очень важных параметров, определяющих устойчи-
вость работы генерирующих, а в наибольшей степени средств
передачи энергии.
Раньше, в связи с широким внедрением вакуумных ком-
мутационных аппаратов среднего и низкого рабочего напря-
жения, были актуальными вопросы защиты соответствующих
технических средств релейной защиты и автоматики. В на-
стоящее время в связи с внедрением элегазовых коммутаци-
онных аппаратов всех классов напряжения, разработчикам
и эксплуатации приходится уделять все более пристальное
внимание влиянию высокочастотных импульсов большой ам-
плитуды непосредственно на сами высоковольтные аппараты.
Значительно увеличилось количество аварийных выходов из
строя силовых трансформаторов, вводов с твердой изоляцией,
различных кабельных линий.
Системы мониторинга подвесной изоляции воздушных ли-
ний, основанные на контроле разрядных процессов, идеально
подходят для регистрации и локации мест возникновения в
линии грозовых и коммутационных перенапряжений раз-
личной природы возникновения. При помощи этих систем
мониторинга достаточно легко можно определить места воз-
никновения коротких замыканий и обрывов проводов. Пример
организации системы мониторинга импульсных перенапря-
жений приведен на рисунке 7.8.
При помощи этой стационарной системы осуществляется
контроль высоковольтных коммутационных и грозовых пере-
напряжений в связанной системе энергоснабжения, состоящей
из комплекса узлов энергосистемы 1—8, воздушных линий
«PL» и кабельных линий «CL». Локация места возникновения
перенапряжений производится при помощи приборов типа
«OVM», установленных во всех узлах энергосистемы, син-
хронизированных по времени при помощи сигналов системы
глобального позиционирования GPS или подобной.
Рис. 7.8. Мониторинг грозовых и коммутационных
перенапряжений в воздушных линиях.
Часть этой полной системы мониторинга, отнесенная к
контролю состояния изоляции одной воздушной линии, прак-
тически ничем не отличается от обычной системы контроля
разрядных процессов в подвесной изоляции воздушной линии.
Это обусловлено несколькими причинами:
- Система мониторинга изоляции воздушных линий, соз-
данная на основе приборов типа «OVM», включается в режим
контроля разрядных процессов в изоляции периодически,
через интервалы времени в несколько часов. Длительность
каждой регистрации информации составляет единицы секунд,
все остальное время система мониторинга «свободна» и может
реализовывать другие функции контроля и диагностики.
- Технически система регистрации грозовых и коммута-
ционных перенапряжений проще, чем система регистрации
импульсов частичных разрядов. Она должна включать в себя
все те же элементы, что и система контроля изоляции, но иметь
меньшую чувствительность, так как должна регистрировать
импульсы, имеющие большую амплитуду. Для этого в модулях
типа «OVM» предусматривается программное переключение
чувствительности измерительных каналов.
- Количество грозовых и коммутационных импульсов в
системе сравнительно мало. Для сравнения, за одну секунду
прибор «OVM» может зарегистрировать несколько тысяч им-
пульсов малой амплитуды, в то время как количество мощ-
ных коммутационных импульсов составляет десятки или,
может быть максимально, сотни в сутки. По этой причине
регистрация грозовых и коммутационных импульсов может
идти непрерывно в режиме реального времени, неограничен-
но долго, при этом объем накапливаемой информации будет
сравнительно небольшим.
- В соответствии с имеющимися техническими возмож-
ностями система мониторинга изоляции воздушной линии
может без использования дополнительных технических средств
регистрировать время, амплитуду и длительность грозового
или коммутационного импульса. При помощи экспертного,
смонтированного на главном компьютере системы мониторин-
га, специализированного программного обеспечения может
быть с приемлемой для практики точностью определено и
место возникновения грозового импульса.
Если система мониторинга специально создана для реги-
страции импульсных перенапряжений, как показанная на ри-
сунке 7.8., то функция регистрации перенапряжений является
основной. В этом случае вся система мониторинга состояния
изоляции воздушной линии может постоянно находиться в
этом режиме, т.е. режим регистрации разрядных процессов в
изоляции будет исключен.
Компромиссным вариантом является установка на концах
линии не по одному прибору «OVM», а по два. Один прибор
будет реализовывать функцию контроля изоляции, а другой
— функцию контроля перенапряжений. При этом все инфор-
мационные линии связи системы и центральный компью-
тер с программой мониторинга будут для обеих подсистем
общими.
Важным для практики свойством системы мониторинга
является возможность регистрации мощных высокочастот-
ных импульсов, возникающих при коротких замыканиях.
Если система мониторинга изоляции воздушной линии на-
ходится в режиме регистрации грозовых и коммутационных
перенапряжений, то она позволит определить место возник-
новения короткого замыкания в линии. Для этого достаточно
определить разновременность прихода импульсов от места
короткого замыкания к концам линии и определить место
возникновения КЗ.
Достоинством такой локации места короткого замыкания
является то, что если даже после кратковременного корот-
кого замыкания свойства линии восстановятся, место тако-
го дефекта, например, «перехлеста проводов», будет точно
идентифицировано. Все другие методы, предназначенные
для определения мест возникновения коротких замыканий в
воздушных линиях, в таком случае просто не работают.
7.4. Калибровка измерительных цепей
перед регистрацией разрядных процессов
в воздушных линиях
Калибровка схем измерения разрядных процессов в изо-
ляции воздушных линиях не имеет значительных принци-
пиальных отличий от калибровки схем измерения частичных
разрядов в другом высоковольтном оборудовании. Внима-
тельный читатель уже заметил, что в этой фразе уже выделено
максимальное отличие, которое необходимо учесть при кали-
бровке воздушных линий.
Это отличие заключается в энергии высокочастотных им-
пульсов, которые мы должны регистрировать в воздушных
линиях. Энергия этих импульсов существенно больше, чем
энергия обычных частичных разрядов в высоковольтной изо-
ляции, с которыми мы имеем дело в другом высоковольтном
оборудовании.
8. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ОБОРУДОВАНИИ
В данном разделе методического руководства мы дадим
краткое описание продукции разработки и производства фир-
мы «DIMRUS», предназначенной для регистрации частичных
разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. Основное
внимание уделим описанию первичных датчиков, предназна-
ченных для регистрации частичных разрядов, и более кратко
рассмотрим информацию по техническим средствам.
Описание продукции производства именно фирмы
«DIMRUS» приведено здесь по нескольким причинам:
Во-первых, большая часть этого оборудования соответ-
ствует современному уровню развития технических средств
регистрации частичных разрядов.
Во-вторых, автору данного методического руководства хо-
рошо известны технические характеристики и особенности
этого оборудования, потому что он принимал участие в его
разработке.
По этой причине просим не считать содержание этой главы
рекламной информацией. Аналогичную продукцию произво-
дят и другие фирмы.
8.1. Датчики регистрации частичных
разрядов для контроля состояния
высоковольтной изоляции
8.1.1. Датчики частичных разрядов марки «RFCT».
Эти датчики частичных разрядов являются, вероятнее все-
го, наиболее распространенными на практике. Это обусловлено
их простотой, дешевизной и удобством применения.
Датчик марки «RFCT» (Radio Frequency Current Transformer
— Радиочастотный Токовый Трансформатор) состоит из сер-
дечника и двух обмоток, первичной и вторичной.
Сердечник датчиков марки «RFCT» обычно выполняется
из специализированных высокочастотных материалов, чаще
всего из различных высокочастотных ферритов. Это делается
для того, чтобы выделять из сигналов промышленной частоты
высокочастотные импульсы частичных разрядов. Размеры
сердечника датчика, его форма, способ крепления и т.д. могут
варьироваться, исходя из конкретного назначения датчика.
Первичная обмотка датчика марки «RFCT», чаще всего,
состоит из одного витка. Проводник, в котором производится
измерение частичных разрядов, обычно просто проходит через
внутреннее отверстие сердечника датчика. Вторичная обмот-
ка датчика может содержать от одного до нескольких витков,
обычно их количество не превышает 10—15 витков.
Усредненная амплитудно-частотная характеристика датчи-
ков типа «RFCT» приведена на рисунке 8.1. Из рисунка видно,
что частотный диапазон регистрируемых импульсов усреднено
находится в диапазоне частот от 0,1 до 15,0 МГц.
Рис. 8.1. Амплитудно-частотная
характеристика датчика типа «RFCT».
Датчики марки «RFCT» обычно монтируются на проводни-
ках, при помощи которых производится заземление элементов
конструкции высоковольтного оборудования. По этой причи-
не защитная изоляция таких датчиков рассчитана только на
1 кВ. Изготовить датчики такого типа, рассчитанные на монтаж
на высоковольтные проводники и элементы оборудования,
теоретически конечно возможно, но это сопряжено со значи-
тельными техническими трудностями, останавливаться на
которых сейчас мы не будем. Можно сказать только одно, что
такой датчик уже будет нельзя назвать недорогим и доступным
для практического применения.
Ниже рассмотрим основные типы датчиков трансформатор-
ного типа, производимые фирмой «DIMRUS». Датчики этого
типа, но производства других фирм, не имеют существенных
отличий от этих датчиков.
8.1.1.1. Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-1».
Внешний вид датчика «RFCT-1» показан на рисунке
8.2. Внутренний сердечник датчика выполнен в виде цель-
Рис. 8.2. Датчик частичных
разрядов марки «RFCT-1»
с разъемом типа BNC.
ного кольца, поэтому
датчики этого типа
обычно монтируются
стационарно. На фото
показан переносной
датчик, который под-
ключается при помощи
BNC-разъема. У стаци-
онарных датчиков этой
марки коаксиальный
кабель «заделывается»
внутри корпуса датчи-
ка.
Датчик выпускается
в монолитном пластико-
вом корпусе. Централь-
ное отверстие датчика, через которое проходит токоведущая
жила, изолировано, что дает возможность надежно изолировать
измерительную цепь (измерительный прибор) от напряжений
до 1000 вольт.
Этот датчик имеет простую конструкцию, минимально
возможную цену и доступен для широкого использования.
Для специальных условий проведения измерений частич-
ных разрядов выпускается модификация датчика «RFCT-1»,
заключенная в металлический корпус. В таком виде его можно
использовать совместно с конденсаторами связи, «подклады-
вая» его под корпус конденсатора, используя в качестве токо-
ведущего проводника болт крепления конденсатора.
Основное назначение датчика «RFCT-1» — контроль им-
пульсов от частичных разрядов в заземляющих проводниках
и в уравнительных контурах. Чаще всего это заземляющие
цепи корпусов, экранов, цепь заземления нейтрали транс-
форматора и т.д.
Датчик «RFCT-1» подключается к приборам при помощи
стандартного коаксиального разъема и кабеля RG-58, а лучше
RG-213, с максимальной длиной до 100 метров.
8.1.1.2. Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-2».
Это специализи-
рованный датчик,
предназначенный для
измерения частичных
разрядов в высоко-
вольтном оборудова-
нии. Он предназначен
для монтажа между
двумя гальванически
не связанными элемен-
тами высоковольтного
оборудования. Обычно
это два элемента, каж-
дый из которых имеет
свое, индивидуальное
Рис. 8.3. Датчик частичных разрядов
марки «RFCT-2».
заземление.
За счет протекания
«между землями» уравнительных токов эти точки оборудо-
вания могут иметь разницу потенциалов, которая может до-
стигать нескольких десятков вольт. Если же эти точки зам-
кнуть между собой, то по цепи замыкания может протекать
ток большой величины, до сотен ампер. Поэтому у обычного
датчика частичных разрядов типа «RFCT» может выйти из
строя первичная обмотка.
В датчике марки «RFCT-2» первичная обмотка не имеет
гальванической связи между входными зажимами, по ней
замыкаются только высокочастотные импульсы. Датчик пред-
назначен для регистрации импульсов от частичных разрядов в
выключателях, ячейках КРУ и подходящих к ним кабельных
линий или другом высоковольтном оборудовании. Датчик
может быть применен для регистрации частичных разрядов
в шинопроводах. Чаще всего он устанавливается в разрыве
экрана шинопровода.
Конструктивно датчик имеет внутри два последовательно
включенных элемента. Это разделительный высоковольтный
конденсатор и импульсный трансформатор для выделения
частичных разрядов. К вторичной обмотке трансформатора
подключается измерительный прибор.
Подключение датчика к контролируемому объекту произво-
дится при помощи соединительных проводов, выбираемых по
месту установки датчика. Провода в состав поставки датчика
не входят.
К измерительным приборам датчик «RFCT-2», как и все
датчики других типов, подключается при помощи стандартного
коаксиального кабеля.
8.1.1.3. Изолирующий высокочастотный
трансформатор марки «RFCT-З».
Рис. 8.4. Датчик
частичных разрядов
марки «RFCT-З».
Датчик «RFCT-З» представляет со-
бой высокочастотный разделительный
трансформатор, выполненный в спе-
циализированном корпусе. Датчик
предназначен для использования в
качестве изолирующего и раздели-
тельного устройства там, где необхо-
димо исключить гальваническую связь
между цепями, в которых установлены
первичные датчики, и входными цепя-
ми измерительных приборов.
Конструктивно датчик «RFCT-З»,
показанный на рисунке 8.4., имеет
внутри себя один изолирующий высокочастотный, импульс-
ный трансформатор с коэффициентом передачи токов, равным
единице. Каких-либо дополнительных защитных и корректи-
рующих цепей внутри этого датчика нет.
Подключение датчика производится при помощи двух
стандартных разъемов марки BNC и никаких трудностей для
диагностического персонала не представляет.
8.1.1.4. Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-4».
Этот высокочастотный импульсный датчик отличается
большим внутренним диаметром и разъемной конструкцией
сердечника. С целью обеспечения безопасности измеритель-
ных цепей, которые могут возникнуть из-за большого сече-
ния внутреннего сердечника, во вторичную обмотку датчика
включены ограничители перенапряжений.
Рис. 8.5. Датчик частичных разрядов
марки «RFCT-4».
Датчик предназна-
чен для монтажа на ней-
трал и трансформатора
и шинах заземления
оборудования. Корпус
датчика разъемный, из
2-х частей, что сделано
для удобства монтажа
на элементах, имею-
щих жесткое крепление.
Внутренний диаметр
датчика, через кото-
рый может проходить
токоведущий элемент
конструкции контроли-
руемого оборудования,
составляет 68 мм.
При монтаже на элементах оборудования, по которым про-
текает значительный ток промышленной частоты, соединять
половинки датчика нужно с изолирующей прокладкой, тол-
щина которой зависит от величины тока и может достигать
3 мм. Это нужно делать для того, чтобы избежать насыщения
сердечника. Чем больше будет ток промышленной частоты,
который протекает по элементу конструкции оборудования,
на котором смонтирован датчик «RFCT-4», тем больше дол-
жен быть немагнитный и непроводящий зазор, т.е. толщина
прокладки.
Рабочее напряжение на конструкции оборудования, ко-
торое допускается в месте установки датчика, по условиям
безопасности не может быть больше 500 вольт. Это обусловлено
толщиной используемой защитной изоляции.
8.1.1.5. Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-5».
Этот высокочастотный датчик по своей конструкции пред-
ставляет собой «разъемные» высокочастотные измерительные
клещи для оперативного измерения частичных разрядов в
токопроводящих проводах и жилах. Достоинством такой кон-
струкции является возможность оперативного подключения
датчика на работающем оборудовании. Внешний вид датчика
марки «RFCT-5» приведен на рисунке 8.6.
Отличие данного высокочастотного датчика от «обычных»
токоизмерительных клещей заключается в конструкции сер-
дечника и параметрах измерительной обмотки. Отличие так-
же имеется и в способе
подключения измери-
тельной обмотки к при-
бору.
При помощи датчи-
ка «RFCT-5» произво-
дятся измерения ин-
тенсивности частичных
п о п разрядов в любых цепях
Рис. 8.6. Датчик частичных разрядов н н
марки «RFCT-5». с Рабочим напряжени-
ем до 1000 вольт.
Калибровка чувствительности датчика «RFCT-5» произво-
дится не отдельно, как это делается для обычных токоизмери-
тельных клещей, а только в составе всей измерительной цепи
— объект, емкостная связь, датчик и входные цепи прибора.
8.1.1.6. Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-б».
Этот датчик, скорее всего, можно назвать «пробником»
или оценочным датчиком, потому что с его помощью очень
трудно произвести калиброванные измерения частичных
разрядов в изоляции оборудования. Внешний вид датчика
«RFCT-б» показан на рисунке 8.7.
При помощи этого датчика можно контролировать наличие
или отсутствие частичных разрядов в проводнике заземле-
ния, к которому нужно просто приблизить корпус датчика.
Прикасаться к высоковольтным проводникам этим датчиком
нельзя, его изоляция рассчитана только на напряжение до
1000 вольт.
Мы назвали этот датчик «пробником» по простой причине
— в зависимости от положения датчика в момент измерения
его выходной сигнал может изменяться. Амплитуда выходного
сигнала зависит не только от расстояния до контролируемого
проводника, она даже зависит от углового положения корпуса
датчика относительно продольной оси проводника.
Рис. 8.7. Датчик частичных разрядов
марки «RFCT-б».
Тем не менее,
если проводить из-
мерения частичных
разрядов в изоляции
синхронно с измере-
нием фазы питаю-
щего напряжения,
то при помощи по-
лученной инфор-
мации можно будет
выполнить диагно-
стику вида дефекта
в изоляции контролируемого оборудования. Максимальная
погрешность возникнет только при определении степени раз-
вития выявленного дефекта в изоляции, однако, на наш взгляд,
это в большой степени компенсируется оперативностью и про-
стотой проведения измерительных работ.
Эффективность датчика марки «RFCT-б» максимальна
в случае проведения большого объема экспресс-оценочных
работ, например, при диагностике состояния силовых кабелей
и соединительных муфт в кабельных каналах.
Такой датчик оказывается очень полезным при проведе-
нии измерений частичных разрядов и поиска мест дефектов
в изоляции обмотки статора электрической машины. После
подачи испытательного напряжения на обмотку статора можно
достаточно быстро и точно определить место возникновения
частичных разрядов, перемещая датчик вдоль элементов об-
мотки, естественно, на некотором удалении.
8.1.7.7 Датчик частичных разрядов марки
«RFCT-7».
Этот датчик специально разработан для регистрации ча-
стичных разрядов в кабельных линиях и предназначен для
монтажа на заземляющем проводнике экрана кабельной ли-
нии.
Датчик «RFCT-7» имеет две отличительные особенности:
- Корпус датчика имеет разъемную конструкцию, что по-
зволяет оперативно монтировать датчик в условиях эксплуа-
тации.
д
- Датчик допускает
протекание больших то-
ков промышленной часто-
ты по контролируемому
проводнику заземления.
В зависимости от испол-
нения датчика макси-
мальная величина тока
составляет 500 А (зеленая
метка на сердечнике) или
1000 А (оранжевая мет-
ка). Это сделано для того,
чтобы избежать насыще-
ния сердечника датчика
токами промышленной
частоты.
Датчик имеет стандартную характеристику и используется
со всеми переносными приборами и системами мониторинга
частичных разрядов как производства фирмы «DIMRUS», так и
производства других фирм. Это возможно потому, что он, как
и все другие датчики фирмы «DIMRUS», рассчитан на работу
с оборудованием, имеющим входное сопротивление 50 Ом.
Аналогично, со всеми приборами регистрации частич-
ных разрядов производства фирмы «DIMRUS» могут быть
использованы датчики производства других фирм, имеющие
соответствующее выходное сопротивление в 50 Ом.
Рис. 8.8. Датчик частичных разрядов
марки «RFCT-7».
8.1.1.8. Датчик частичных разрядов марки
«DBT-1».
Для временной установки на ПИН вводов датчиков, изме-
ряющих частичные разряды и имеющие в выходном сигнале
опорное напряжение, могут быть использованы универсальные
датчики марки «DBT-1». Они предназначены для «временно-
го» подключения измерительных приборов к ПИН вводов.
При этом для трехфазного трансформатора достаточно исполь-
зовать один датчик, включаемый к ПИН ввода фазы «А».
Датчик «DBT-1» имеет внутреннюю электронную схему,
аналогичную датчику марки «DB-2», включая элементы за-
Рис. 8.9. Комплексный
датчик марки «DBT-1»
для контроля частичных
разрядов и токов
проводимости.
ЩИТЫ ОТ 11С|)С1Н1Н|)Я/Кении II им
пулЬСИЫХ ТОКОВ. При IIOMOIIIII двух
проводников, сечением I 2 мм2
он подключается к ПИН ввода и к
«земле» трансформатора (ввода).
Подключение этих прово-
дников должно проводиться
с особой тщательностью. Кор-
пус датчика и кабель от датчика
к прибору необходимо зафиксиро-
вать, чтобы не произошло размыка-
ние цепей к ПИН контролируемого
ввода. Провод дополнительного за-
земления, показанный на рисунке справа, для обеспечения
безопасности персонала должен быть надежно подключен к
корпусу трансформатора.
8.1.7.9. Датчик частичных разрядов марки
«DRTD-З».
Датчик «DRTD-З» предназначен для регистрации частич-
ных разрядов в обмотках статоров высоковольтных электри-
ческих машин — генераторов и электродвигателей. Он по-
зволяет использовать в качестве своеобразной антенны для
сбора сигналов ЧР внутри обмотки электрической машины
термометры сопротивления, заложенные в обмотку при изго-
товлении электрической машины. В этих целях используются
датчики температуры, расположенные в пазу статора между
секциями обмотки.
Внешний вид трехфазного трансформаторного датчика ча-
стичных разрядов марки «DRTD-З» показан на рисунке 8.10.
Датчик «DRTD-З» включается в разрыв трех или четырех
проводной линии, при помощи которой термометр сопро-
тивления подключается к измерительному прибору контроля
температуры обмотки статора. Ограничений на величину
сопротивления датчика не накладывается, это может быть
100 или 10 Ом.
Монтировать датчик желательно максимально близко к
месту выхода кабеля из корпуса статора электрической ма-
шины, чтобы максимально избежать затухания сигналов от
частичных разрядов в соединительном кабеле. Подключает-
Рис. 8.10. Датчик частичных разрядов
марки «DRTD-З».
ся датчик в разрыв
проводников, иду-
щих от термометра
сопротивления. На
работу схемы изме-
рения температуры
датчик влияния не
оказывает.
Конструктивно
датчик «DRTD-З»
состоит из трех
одинаковых моду-
лей, каждый из ко-
торых предназначен
для подключения к
своему датчику температуры. Такая конструкция датчика обу-
словлена преимущественным измерением частичных разрядов
в трехфазных электрических машинах.
Для проведения калибровки датчиков типа «DRTD-З» не-
обходимо использовать отключенный режим работы элек-
трической машины. Само подключение датчика в цепи из-
мерения температуры можно производить в процессе работы
оборудования.
8.1.2. Высокочастотные конденсаторы связи марки
«СС».
Конденсаторы связи марки «СС» (Coupling Capacitor) пред-
назначены для регистрации частичных разрядов в элементах
высоковольтного оборудования, находящихся под рабочим
напряжением. Это могут быть входные клеммы обмоток ста-
торов электрических машин различного типа, шины КРУ,
токопроводящие жилы кабельных линий.
Величина внутренней емкости конденсатора составляет
обычно 80 пикофарад, хотя это значение и не является прин-
ципиальным, просто такую емкость имеют большинство кон-
денсаторов, продаваемых на мировом рынке. Наиболее важ-
ным параметром конденсатора связи является стабильность
его параметров. Как мы уже писали выше, наиболее часто
используются конденсаторы связи со слюдяной изоляцией
в эпоксидном корпусе, такие датчики считаются наиболее
надежными.
Рис. 8.11. Конденсатор
связи марки «СС»,
предназначенный для наружной
установки, с встроенным
датчиком марки «RFCT».
Конденсатор связи марки
«СС» монтируется на «зазем-
ленном» основании, а верхняя
точка (обкладка конденсатора)
подключается к то ко вед у щей
линии, в которой предпола-
гается проводить измерения
частичных разрядов.
Особенностью использо-
вания трансформаторов связи
является необходимость мон-
тажа специальных переходиых
плат или «проходных» датчиков
типа RFCT. Если конденсатор
просто смонтировать на метал-
лическом заземленном основа-
нии, то импульсы частичных
разрядов просто замкнутся на
землю.
Существуют два способа
монтажа конденсаторов связи.
В первом случае, прямо под
конденсатором, на крепежном
болте устанавливается датчик
«RFCT-1», заключенный в ме-
таллический корпус. Во втором варианте под датчиком мон-
тируется переходная плата с необходимой электроникой, через
которую конденсатор соединяется с «землей». В этом случае
необходимо устанавливать специальное изолирующее основа-
ние. Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе, посвя-
щенном измерению частичных разрядов в обмотках статоров
электрических машин, генераторов и электродвигателей.
Специфический конденсатор связи может быть использо-
ван для измерения частичных разрядов в кабельных линиях.
На «разделанном» конце фазы кабельной линии при помощи
тонкой медной фольги мотается кольцо. Ширина полосы фоль-
ги должна быть не менее 20 см, чтобы между жилой кабеля и
фольгой получился конденсатор, имеющий емкость в несколь-
ко десятков пФ. Полоса фольги при помощи специального
проводника заземляется.
Это делается с двумя целями: для обеспечения безопас-
ности и для снятия полезной информации с получившегося
конденсатора связи. На проводник заземления конденсатора
«одевается» датчик типа «RFCT-1», при помощи которого про-
изводится регистрация сигналов в контролируемой кабельной
линии.
В последнее время в качестве конденсаторов связи все чаще
используются емкостные делители напряжения, предназначен-
ные для использования в индикаторах высокого напряжения.
Емкость таких конденсаторов составляет 20, 15 или 10 пФ. Эти
значения емкости для рабочих напряжений 10, 24, или 36 кВ,
соответственно. Такие делители совмещают в себе конденсатор
связи с функциями полимерного опорного изолятора и также
имеют высокую эксплуатационную надежность.
Достоинством емкостных делителей напряжения, исполь-
зуемых в качестве конденсаторов связи, является их невысокая
стоимость, они дешевле слюдяных конденсаторов связи прак-
тически на порядок. Совмещение в одном корпусе функций
емкостного датчика частичных разрядов и полимерного опор-
ного изолятора также способствует широкому применению
этих устройств.
8.1.3. Датчики для синхронизации процесса
измерений частичных разрядов
с питающим напряжением.
Важную роль при регистрации частичных разрядов в изоля-
ции играет точная фазовая привязка момента возникновения
импульсов разрядов к фазе синусоиды питающей сети. Только
в этом случае в дальнейшем возможно проведение диагности-
ки типа и места возникновения дефекта в высоковольтной
изоляции.
В случае регистрации частичных разрядов при помощи си-
стем мониторинга больших проблем с синхронизацией не воз-
никает. Наибольшие проблемы бывают в том случае, когда для
регистрации частичных разрядов используются переносные
приборы, особенно имеющие аккумуляторное питание и не
подключенные к питающей промышленной сети. В этом случае
для синхронизации необходимо использовать специализиро-
ванные датчики опорных сигналов, описанные ниже.
8.1.3.1. Датчик марки «AR-1».
Этот «внешний» датчик служит для формирования опорно-
го сигнала промышленной частоты, необходимого для фазовой
привязки измерений. На вход датчика «AR—1» можно подавать
Рис. 8.12. Датчик синхронизации
измерений частичных разрядов
марки «AR-1».
сигналы очень широко-
го диапазона амплитуд,
от десятков милливольт
до переменного напря-
жения с величиной до
220 вольт. При любом
типе и форме входного
напряжения на выходе
датчика «AR-1» форми-
руется прямоугольный
импульс с периодом
напряжения питающей
сети.
Для удобства поль-
зования входная цепь и
выходная цепь датчика
имеют гальваническую
развязку на напряжение
до 1500 вольт, позволяющая исключить взаимное влияние це-
пей между собой и между объектом контроля и измерительным
прибором. Особенно это важно тогда, когда опорное напряже-
ние для фазовой привязки берется в условиях высоковольтной
подстанции от другого объекта.
Малый входной ток датчика, равный долям микроампера,
расширяет диапазон применения датчика. Например, при из-
мерении на вводах трансформатора датчик можно подключать
параллельно датчику DB-1, не внося в измерения частичных
разрядов существенной погрешности.
Датчик имеет внутренне питание от двух батарей раз-
мером АА. Одного комплекта батарей хватает пример-
но на 10 часов работы. Основным потребителем энер-
гии является узел гальванической развязки входных
и выходных цепей, особенно существенны потери во внутрен-
нем DC/DC конвертере напряжения. Конвертер нужен для
разделения первичных и вторичных цепей. Включение и от-
ключение датчика производится переключателем питания.
8.1.3.2. Датчик марки «PFR-1».
Рис. 8.13. Датчик
синхронизации
по радиоканалу марки
«PFR-1».
Особые условия для синхрониза-
ции регистрации частичных разря-
дов возникают в условиях проведе-
ния измерений частичных разрядов
на высоковольтных подстанциях
или на других объектах, обору-
дование на которых может быть
разнесено на значительное рас-
стояние. Вопрос усложняется, если
измерения на этих объектах произ-
водятся при помощи переносных
приборов, тем более когда измери-
тельный прибор в процессе про-
ведения измерений перемещается
на значительные расстояния. В
этом случае очень удобным для
синхронизации является датчик
опорного сигнала марки «PFR-1».
Он позволяет дистанционно, без
проводов, передавать опорный
сигнал промышленной частоты на
расстояние до 100 метров. Внеш-
ний вид датчика «PFR-1» показан
на рисунке 8.13.
Универсальный датчик опорно-
го сигнала питающей сети марки
«PFR-1» включается в любую ро-
зетку с рабочим напряжением 220
вольт и формирует из синусоиды
промышленного сигнала (в питающей сети) прямоугольный
сигнал, синхронизированный с сетью, и передает его в эфир
по встроенному радиоканалу. Переносной прибор, оснащен-
ный приемником радиосигнала, принимает этот сигнал и ис-
пользует его в качестве опорного при проведении регистрации
частичных разрядов.
На специальный вход датчика опорной фазы марки «PFR-1»
может быть подан любой другой сигнал переменного тока про-
мышленной частоты, например, от измерительного трансфор-
матора напряжения, равный 100 вольт, относительно которо-
го планируется синхронизировать регистрацию частичных
разрядов. При таком подключении, вне зависимости оттого,
подключен датчик к питающей сети или работает от аккумуля-
торов, датчик автоматически начнет обрабатывать этот сигнал,
и опорный сигнал на выходе датчика будет пропорционален
этому напряжению.
Датчик может длительно работать от двух встроенных ак-
кумуляторов типа АА, которые при подключении датчика
к питающей сети (220 вольт) начинают автоматически заря-
жаться.
8.1.4. Датчики марки «DB-2» для контроля токов
проводимости вводов и частичных разрядов
во вводах и в силовых трансформаторах.
Комплексные датчики тока проводимости и частичных
разрядов марки «DB-2» используются со всеми системами мо-
ниторинга и с переносными приборами производства фирмы
«DIMRUS», контролирующими состояние силовых трансфор-
маторов. Это объясняется их универсальностью и надежностью
в работе.
Рис. 8.14. Датчики тока проводимости и частичных
разрядов для монтажа на вводах трансформаторов.
Датчики марки «DB-2» предназначены для одновременного
измерения токов проводимости и импульсов частичных раз-
рядов, снимаемых с ПИН маслонаполненных вводов транс-
форматоров. Выходной сигнал такого датчика представляет
собой сигнал тока проводимости, имеющий промышленную
частоту, на который наложены высокочастотные импульсы
частичных разрядов в изоляции вводов и обмоток трансфор-
матора. Это позволяет при помощи датчиков марки «DB-2»
проводить не только измерения частичных разрядов в изоля-
ции трансформатора, но и контролировать два других, очень
важных параметра высоковольтного ввода — величину тангенса
угла потерь и емкость ввода С1.
Конструктивно датчики «DB-2» представлены в произ-
водственной программе фирмы в виде набора из 30 разновид-
ностей конструктивного исполнения. Необходимость такого
большого количества модификаций датчика обусловлена тем,
что в промышленной эксплуатации находится большое количе-
ство вводов производства различных фирм-производителей.
Также существуют модификации датчика «DB-2», связан-
ные с различным уровнем рабочего напряжения контролируе-
мых трансформаторов и вводов. В настоящее время фирмой
«DIMRUS» разработаны и поставляются датчики, рассчитан-
ные на 11 типов посадочных мест, которыми оснащены ввода
различных фирм. Количество модификаций посадочных мест
вводов постоянно увеличивается, в результате расширяется
номенклатура производимых датчиков марки «DB-2».
Датчики марки «DB-2» отличаются не только внешней кон-
струкцией. В зависимости от условий эксплуатации датчика
производится более 15 модификаций внутренней схемы датчи-
ка. Также датчики марки «DB-2» могут иметь некоторые отли-
чия внутренней схемы, обусловленные различными уровнями
контролируемого тока проводимости вводов.
Для ограничения импульсных перенапряжений, которые
могут возникнуть во вводе и в подходящей линии, при гро-
зовых разрядах или же во время коммутаций в энергосистеме
(особенно при использовании элегазового и вакуумного обо-
рудования), в датчике «DB-2» используются дублированные,
а в некоторых случаях и тройные, элементы защиты ПИН и
измерительного прибора от перенапряжений.
Кроме того, в датчик марки «DB-2» всегда встраивается
дополнительная защита ПИН ввода от обрыва сигнального
кабеля, проложенного отдатчика к измерительному прибору.
Здесь также выполняется дублированная защита.
8.2. Переносные приборы регистрации
частичных разрядов
Очень кратко рассмотрим основные свойства и назначение
нескольких типов переносных приборов, предназначенных для
регистрации частичных разрядов в изоляции высоковольтного
оборудования. За основу также возьмем продукцию фирмы
«DIMRUS», по которой мы имеем подробную информацию. Эта
информация включает в себя данные по назначению, внутрен-
ним особенностям работы всех приборов. Еще раз отметим, что
практически аналогичную продукцию производят некоторые
отечественные и зарубежные фирмы.
Информация по переносным приборам приведена в та-
блице 8.1.
Отмеченные в таблице переносные приборы, несмотря на
общее назначение — регистрация частичных разрядов в высоко-
Таблица 8.L
2 Марка Кол-во каналов Диапазон частот Назначение
1 AR300 1 LF Переносной прибор для оперативной оценки акустической активности частичных разрядов на поверхности высоковольтного оборудования, соединительных муфт кабельных линий. Поиск мест дефектов в обмотках статоров электриче- ских машин.
2 AR700 5 LF Регистрация частичных разрядов внутри баков высоковольтного оборудования при помощи акустических датчиков. Локация мест возник- новения дефектов внутри маслонаполненного и элегазового оборудования.
3 R400 2 HF Прибор оперативной оценки интенсивности ча- стичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования при помощи высокочастотных трансформаторов тока и конденсаторов связи.
4 R2200 9 HF Универсальный регистрирующий прибор для проведения наиболее сложных диагностиче- ских измерений частичных разрядов в изоляции различного высоковольтного оборудования. Максимальная отстройка от помех, встроенная экспертная диагностическая система.
5 UHF- Loc 2 UHF Анализатор спектра электромагнитного из- лучения от частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. Разделение импульсных и периодических сигналов.
вольтной изоляции, обладают различными функциями. Они
различаются используемым частотным диапазоном, типом
первичных датчиков, встроенными функциями обработки
сигналов, наличием встроенных экспертных диагностических
систем и т.д.
При помощи информации, приведенной в данной таблице,
можно примерно оценить технические свойства каждого пере-
носного прибора. Это может помочь при выборе необходимого
того или иного устройства, предназначенного для регистрации
частичных разрядов, возникающих в изоляции высоковольт-
ного оборудования.
8.3. Краткий обзор систем непрерывного
мониторинга частичных разрядов в изоляции
Очень кратко рассмотрим основные свойства и назначение
нескольких типов систем мониторинга частичных разрядов
в изоляции высоковольтного оборудования. Информация
о системах приведена в таблице 8.2.
8.4. Технические средства калибровки
измерительных схем
Важной проблемой, которую приходится решать при прак-
тическом применении приборов контроля частичных разрядов,
является вопрос калибровки (поверки) приборов.
В отличие от стандартных измерений параметров элек-
трических цепей, например, токов, напряжений, необходимо
четко понимать, что прибор контроля частичных разрядов
не может быть откалиброван, а тем более поверен, в условиях
предприятия-изготовителя, или в какой-либо метрологиче-
ской службе.
Это обусловлено тем, что, как уже говорилось выше, из-
меряются не сами параметры импульса частичного разряда,
а вторичные признаки импульса — реакция контролируемого
объекта на перераспределение потенциалов. При этом по-
лучается так, что один и тот же разряд в изоляции будет из-
меряться нашим прибором в разных объектах по-разному.
Например, разряд, возникший внутри разного оборудования,
с одинаковой величиной в 100 рК, будет наводить в одинако-
вом датчике сигнал, отличающийся по амплитуде в десятки
и даже в сотни раз. Так будет, например, при измерении ЧР
в трансформаторе и в небольшой электрической машине. Во
втором случае обычно амплитуда импульса частичного раз-
ряда будет много больше.
Реальная чувствительность прибора, а это и есть потен-
циальный метрологический параметр, который влияет на
Таблица 8.2.
%. Марка Кол-во каналов Диапазон частот Назначение
1 MIG- AS 64 LF Регистрация частичных разрядов внутри баков высоковольтного оборудования при помощи акустических датчиков. Локация мест возник- новения дефектов внутри оборудования.
2 I DR- 10 3 HF Реле мониторинга и диагностики состояния высоковольтной изоляции КРУ, электрических машин, силовых кабельных линий.
3 TIM-3 4 HF Система мониторинга состояния трех высоко- вольтных вводов и частичных разрядов в сило- вых трансформаторах ПО—220 кВ.
4 TIM-9 15 HF Комплексная система мониторинга и диагно- стики силовых трансформаторов с рабочим на- пряжением 220—500 кВ.
5 TDM 15 HF Модульная система мониторинга и диагности- ки силовых трансформаторов, собираемая из диагностических модулей по спецификации заказчика.
6 CDM- 30 30 HF Система мониторинга состояния изоляции 30 высоковольтных кабельных линий с рабочим напряжением до 500 кВ.
7 OVM- 1,3 3 HF Универсальная система мониторинга и диагно- стики состояния изоляции кабельных и воз- душных линий, локация места возникновения дефектов.
8 GIS-M 6 UHF Система мониторинга и диагностики состояния изоляции элегазового оборудования, локация мест возникновения дефектов.
9 DIM- Loc 4 UHF Передвижная или стационарная лаборатория локации и диагностики мест возникновения дефектов в оборудовании энергетических пред- приятий.
измеряемые параметры, не является величиной постоянной.
Она в значительной степени зависит от условий проведения
измерений.
На чувствительность прибора оказывает влияние:
- тип и марка контролируемого высоковольтного оборудо-
вания, трансформаторы, генераторы, кабельные линии;
- тип и места установки датчика, предназначенного для
измерения параметров частичных разрядов;
- места возникновения дефекта в изоляции оборудования,
разряды, возникшие на разном удалении отдатчика, наведут
в датчике сигналы разной амплитуды;
- длины соединительного кабеля от датчика и т.д.
Каким-то образом заранее учесть «набор» этих возмущаю-
щих факторов, влияющих на чувствительность измерительной
схемы, не удается никогда. Вполне очевидным является то,
что единственно возможным способом проведения достовер-
ных измерений частичных разрядов в высоковольтном обо-
рудовании является проведение калибровки измерительной
схемы прямо на месте. Любое изменение параметров схемы
измерения, перемещение датчиков по контролируемому обо-
рудованию и т.д. требует проведения повторной процедуры
калибровки измерительной схемы.
Процедура калибровки измерительных цепей перед изме-
рением частичных разрядов предполагает следующее:
- Собирается конкретная измерительная схема на отклю-
ченном высоковольтном объекте, состояние изоляции которого
предполагается контролировать.
- В конкретную зону объекта, которую предполагается кон-
тролировать, необходимо ввести, «инжектировать», искус-
ственные частичные разряды, амплитуда которых известна.
- Проводится измерение выходных сигналов со всех дат-
чиков, установленных на оборудовании.
- На основании известного уровня тестового импульса,
инжектируемого в оборудование, рассчитывается реальный
коэффициент чувствительности каждого измерительного ка-
нала собранной измерительной схемы.
- Полученные расчетные коэффициенты чувствительно-
сти каналов используются во всех последующих измерениях
частичных разрядов, проводимых под рабочим или испыта-
тельным напряжением.
Вполне очевидно, что единственным способом обеспече-
ния необходимой метрологической достоверности измерения
частичных разрядов является обязательное наличие в составе
оборудования тестового генератора. Этот генератор должен
выдавать на выходе импульсы, соответствующие импульсам
частичных разрядов, иметь небольшие габариты и аккумуля-
торное питание.
8.4.1. Калибровочный
генератор «GKI-1».
Самым простым калибро-
вочным генератором, выпу-
скаемым фирмой «DIMRUS»,
является генератор марки
«GKI-1». Он разработан для
использования по принци-
пу «включил — работает».
В нем нет никаких органов
Рис. 8.15. Генератор «GKI-1».
управления кроме тумблера включения, нет элементов инди-
кации кроме светодиода, показывающего включенный режим
и нормальное состояние батарей питания.
В зависимости от типа переносных измерительных прибо-
ров или систем мониторинга, с которыми поставляется этот
генератор, калибровочные импульсы могут иметь различные
частотные и временные параметры.
Генератор питается от двух батарей типа А А, заменить ко-
торые можно практически везде, это самый распространенный
элемент питания. Одного комплекта батарей хватает более чем
на 10 часов непрерывной работы генератора.
Генератор выпускается в прочном металлическом корпусе,
элементы управления и индикации защищены специальной
защитной накладкой. Это делает данный генератор очень
простым и удобным в эксплуатации.
8.4.2. Калибровочный генератор «GKI-2».
Рис. 8.16. Генератор «GKI-2».
Малогаба-
ритны й ка-
либровочный
генератор
«GKI-2» пред-
назначен для
калибровки це-
пей регистра-
ции частичных
разрядов перед
проведением
измерений. Он
может быть ис-
пользован в полевых и лабораторных условиях. Допускается
работа генератора при температуре окружающей среды до —20
градусов.
Управление всеми функциями генератора осуществляется
при помощи пленочной клавиатуры, необходимая инфор-
мация о работе прибора отражается на миниатюрном ЖКИ
индикаторе.
Питание генератора осуществляется от двух батарей фор-
мата «АА» или аккумуляторов такого же размера. Одного за-
ряда аккумуляторов достаточно для непрерывной работы в
течение не менее 10 часов. В комплекте генератора имеется
зарядное устройство, от которого можно также питать гене-
ратор во время работы.
Генератор «GKI-2» обычно инжектирует в контролируемый
объект и в измерительные датчики и цепи заряд, равный 3000
рК. Это позволяет проводить калибровку измерительных цепей
с учетом затухания в большинстве высоковольтных объекте
перед проведением измерений.
Для проведения специализированной калибровки изме-
рительных цепей выпускаются версии генератора, имеющие
регулировку энергии инжектируемого заряда. Величина энер-
гии калибровочного импульса может составлять, по выбору
пользователя, значения 2000 и 5000 рК.
8.4.3 Калибровочный генератор «GKI-З».
Данный импульсный генератор может быть использован для
калибровки цепей измерения частичных разрядов в трансфор-
маторах и электрических машинах, где нужны калибровочные
импульсы повышенной мощности. С этой целью выходной
сигнал генератора имеет повышенное напряжение, до 200
вольт. Величина выходного напряжения импульсов выбира-
ется пользователем, исходя из требуемых условий проведения
калибровочных работ на конкретном высоковольтном обору-
довании. Пользователь также может сам выбрать длительность
выходного импульса калибровочного генератора «GKI-З», что
также способствует расширению зоны его применения.
Дополнительной функцией генератора марки «GKI-З» яв-
ляется возможность генерирования прямоугольных импульсов
напряжения, которые могут быть использованы при тестиро-
вании нарушений геометрической формы обмоток силовых
трансформаторов «методом воздействия прямоугольных им-
Рис. 8.17. Генератор «GKI-З».
пульсов».
Генератор
«GKI-З» под-
ключается к
контролируемо-
му трансформа-
тору и посылает
в него прямоу-
гольные импуль-
сы. Если при по-
мощи цифрового
осциллографа
провести реги-
страцию реак-
ции трансформатора на эти прямоугольные импульсы, то мож-
но при помощи использования специальной диагностической
методики оценить наличие опасного дефекта трансформатора
— нарушения геометрической формы обмоток после воздей-
ствий токов сквозного короткого замыкания.
8.4.4 . Калибровочный генератор «GKI-4».
Импульсный калибровочный генератор марки «GKI-4»
также имеет повышенную энергию выходного сигнала, до-
стигающую 50 нК, но это генерируется в нем при выходном
напряжении сигнала не более 20 вольт. Такое выходное на-
пряжение менее опасно для диагностического персонала при
проведении калибровки измерительных цепей по сравнению
с использованием генератора марки «GKI-З», имеющим вы-
ходное напряжение 200 вольт.
Выходной сигнал генератора «GKI-4» можно изменять не
только по мощности, но и по полярности, без переключения
зажимов выходного кабеля, подключаемого к контролируемому
Рис. 8.18. Генератор
«GKI-4».
объекту. Такая диагностическая
процедура также бывает полез-
ной при проведении калибров-
ки цепей измерения частичных
разрядов. Переключение энер-
гии калибровочного импульса
и его полярности осуществля-
ется при помощи специальной
клавиши, выбранное значение
отображается при помощи ин-
дикаторных светодиодов.
Калибровочный генератор
марки «GKI-4», как и все дру-
гие, также выполнен в прочном
металлическом корпусе, все ор-
ганы управления и индикации
надежно защищены. Благодаря
этому, калибровочный генера-
тор может быть использован
для проверки измерительных
схем регистрации частичных
разрядов в изоляции высоко-
вольтного оборудования в
самых жестких условиях экс-
плуатации.
Подписано в печать 24.01.2011
Формат 60х90!/16
Печать офсетная
Бумага офсетная
Усл. печ. л. 23,0
Тираж 1000 экз.
Заказ № 14
Издательство УрГУПС
620034, г. Екатеринбург,
ул. Колмогорова, 66
Отпечатано в соответствии
с предоставленным оригинал-макетом
в ОАО «ИПП «Уральский рабочий»
620990, Екатеринбург,
ул. Тургенева, 13
http://www/uralprint.ru
e-mail: sales@uralprint.ru
ISBN № 978-5-94614-177-2
© В.А. Русов, 2011
www.dimrus.com
Silt*
РУСОВ
Валерий Александрович -
кандидат технических наук,
доцент, родился в 1949 г.
Окончил Пермский
политехнический
институт.
Специалист в области диагностики высоковольтного
электрооборудования. Второе научное направление -
вибрационная диагностика механизмов и конструкций.
Автор более 120 научных трудов и докладов,
40 авторских свидетельств на изобретения.
Принимал участие в организации двух
диагностических фирм в городе Пермь,
«Вибро-Центр» и «DIMRUS»,
занимающих лидирующие позиции в России,
продукция которых известна во всем мире.
Работает научным руководителем
в обеих фирмах.
Руководил разработкой более 50 различных
диагностических приборов и систем,
предназначенных для оценки
состояния высоковольтного
оборудования,
15 приборов вибрационного
контроля.