Оптимальная форма представления параметров частичных разрядов в виде двух- или трехмерных амплитудно-фазовых диаграмм

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИИ

I

УДК 621.3.048

ОПТИМАЛЬНАЯ ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ВИДЕ ДВУХ- ИЛИ ТРЕХМЕРНЫХ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ.

А.А. ЗАХАРОВ, А.В. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ, Г.С. ФЕДОРОВ Казанский государственный энергетический университет

Описан новый комплекс для регистрации частичных разрядов (ЧР), позволяющий представлять основные параметры ЧР в оптимальной форме в виде двух- или трехмерных диаграмм: амплитуда, частота повторений и фаза. Разработанный комплекс используется для мониторинга рабочего состояния высоковольтных изоляторов.

Основную информацию об источнике ЧР несут величина (заряд) импульса, фаза его возникновения и частота следования импульсов ЧР. Они имеют стохастический (случайный) характер, т.е. все параметры сильно изменяются во времени и имеют большой случайный разброс, поэтому наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов ЧР, а средние значения параметров импульсов ЧР и формы их распределения по амплитуде и фазе относительно приложенного к объекту контроля переменного напряжения.

Поскольку амплитуда импульсов ЧР достаточно сильно изменяется от импульса к импульсу, то необходимо знать среднее значение амплитуды и функцию распределения импульсов по амплитуде. Амплитудное распределение обычно представляется в двух формах: интегральной или дифференциальной. В первом случае суммируется количество импульсов в единицу времени, превышающих определенный порог по интенсивности. Затем эти значения наносятся на график в пределах минимального и максимального значения интенсивности импульсов. Точность измерений повышается с увеличением числа пороговых значений. При дифференциальном распределении подсчитывается количество импульсов в единицу времени, имеющих амплитуды в интервале между двумя пороговыми значениями.

Суммарная интегральная зависимость интенсивности ЧР (в соответствии с ГОСТ 20074-83 [1]) позволяет определить такие параметры, как средний кажущийся заряд, максимальный кажущийся заряд, частота следования импульсов ЧР и средний ток ЧР. Эти характеристики, как предполагается указанным выше ГОСТом, позволяют оценить опасность регистрируемых ЧР для состояния изолирующих элементов. Однако такие суммарные интегральные характеристики не позволяют определить ни типы источника сигналов ЧР, ни разделить сигналы ЧР различных типов. Разделение типов сигналов ЧР весьма важно, т.к. в реальных условиях эксплуатации высоковольтного оборудования всегда присутствуют сигналы коронных разрядов и внешних помех. Эти сигналы могут иметь достаточно высокие амплитуды и интенсивность, но, естественно, не представляют опасности для изоляторов. Следовательно, измерение

© А.А. Захаров, А.В. Голенищев-Кутузов, Г.С. Федоров Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

интегральных зависимостей ЧР, определенных ГОСТом как способ контроля состояния изоляторов, не является достаточно полным и совершенным.

Наиболее важными характеристиками сигналов ЧР являются временные зависимости различных характеристик импульсов ЧР в пределах периода высоковольтного напряжения. Именно так называемые «фазовые распределения» параметров ЧР позволяют в принципе определять тип источника сигналов ЧР. Наиболее точно фазовые распределения параметров ЧР можно осуществлять путем разбиения периода переменного напряжения на ряд временных интервалов. В этом случае возможно отражение полной характеристики ЧР в виде трехмерной амплитудно-фазовой диаграммы (АФД). При точечной АФД распределение амплитуд (зарядов) ЧР в любом фазовом интервале характеризуется числом точек в каждом амплитудном интервале. Однако точечный способ представления АДФ не экономичен, поскольку для запоминания каждого из многих тысяч импульсов ЧР требуется большая память на дисковом накопителе. Более эффективным является отражение на АФД не каждого импульса ЧР, а их усредненных характеристик. Трехмерные амплитудно-фазовые характеристики можно представить либо в виде совокупности двухмерных графиков, либо двухмерной проекции реального трехмерного распределения.

Таким образом, представление данных по ЧР от какого-либо реального энергетического объекта состоит, в общем виде, из двух частей: общей суммарной зависимости интенсивности сигналов ЧР по определенным пороговым значениям и амплитудно-фазовых диаграмм.

Комплекс состоит из индукционного датчика, подключенного к персональному компьютеру, и использует принцип фазового детектирования импульсов ЧР (PRPDA: Phase Resolved Partial Discharge Analysis [2, 3]). Аппаратная часть комплекса представлена в виде двухканальной 16 разрядной платы АЦП с максимальной частотой дискретизации 44100 Гц. Программная часть комплекса разработана в среде Borland C++ Builder 5.0 и работает под управлением операционной системы Windows 9x/NT.

Рассмотрим подробнее работу комплекса. Сигнал, снимаемый с индукционного датчика (рис. 1), поступает на вход платы АЦП. Для доступа к данным платы АЦП используется библиотека DirectX 8.0, построенная на основе компонентной объектной модели, так называемой технологии COM (Component Object Model).

20 000 15 000

Ц

= 10 000

0

я 5 000

1 .

п

§ -5 00«

<

-10 000  15 000 -20 000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Время, мс

Рис. 1. Временная область исходного сигнала ЧР на фоне питающего напряжения 30 кВ © Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

СОМ определяет единый стандартный способ, при помощи которого одна часть программного обеспечения может воспользоваться услугами другой части программного обеспечения при условии, что эти части соответствуют принятым соглашениям, которые и описывает СОМ.

Таким образом, оцифрованный сигнал находится в области памяти, работающей по принципу кольцевого буфера, работа с которой осуществляется при помощи технологии COM. Стоит отметить, что во входном сигнале содержатся не только импульсы ЧР, но и наводка от питающего напряжения, поэтому входной сигнал пропускается через Фурье фильтр.

Алгоритм Фурье фильтра состоит из двух этапов. На первом этапе сигнал посредством прямого преобразования Фурье отображается в частотную область, а на втором этапе из полученного комплексного спектра удаляется диапазон частот, соответствующий гармоникам питающего напряжения, и полученный результат отображается обратно во временную область посредством повторного Фурье-преобразования.

Достоинствами такого метода фильтрации, по сравнению с цифровыми и аналоговыми фильтрами, являются:

- практическое отсутствие фазовых искажений, что особенно важно при повышенных требованиях к сохранению формы исходного сигнала, измерению латентностей и временного положения различных пиков;

- практически бесконечная крутизна среза и минимальная нелинейность в полосе пропускания, имеющая место только на ее границах за счет незначительного влияния эффекта утечки, свойственного БПФ;

- отсутствие искажений на начальном участке реализации сигнала, характерных для цифровых фильтров вследствие эффекта последовательного приближения.

На первом этапе работы алгоритма Фурье фильтра используются весовые окна. Применение весовой функции (окна) во временной области существенно влияет на эффект утечки. Отсутствие весовой функции при конечной длине, подвергаемой анализу реализации, равносильно применению прямоугольной весовой функции, которая неоптимальна при анализе стационарных сигналов, в частности сигналов, содержащих дискретные составляющие, ввиду потенциальной разрывности на соединяемых друг с другом концах обрабатываемой реализации. Более оптимальная весовая функция должна иметь нулевые значения на обоих концах и изменяющиеся плавно значения в пределах заданной длины реализации анализируемого сигнала.

Применение окон, отличных от прямоугольного и сглаживающих разрывы сигнала на концах сегмента, позволяет снизить уровень боковых лепестков, однако это дается ценой расширения главного лепестка, что приводит к определенному ухудшению разрешения. В качестве основных характеристик спектрального окна обычно используются следующие четыре параметра:

1) ширина полосы главного лепестка на уровне половинной мощности (уровень 3 дБ);

2) эквивалентная ширина полосы - ширина прямоугольника, равного основному лепестку по площади и максимальной амплитуде;

3) максимальная амплитуда боковых лепестков (дБ) по отношению к главному лепестку;

4) скорость спадания амплитуды боковых лепестков (дБ/октава);

После второго этапа Фурье фильтрации в полученном сигнале содержатся импульсы ЧР без гармоник питающего напряжения.

© Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

Далее массив отсчетов, представляющий сигнал после Фурье фильтрации, разбивается на 20 интервалов длительностью 0,001 с. На каждом из интервалов подсчитывается число и средняя амплитуда импульсов ЧР с учетом заданного уровня порогового напряжения (рис. 2).

Л

X

£

о

Ы

г

о

о

в

Номер интервала

Рис. 2. Зависимость среднего значения амплитуды и числа импульсов ЧР от номера интервала

Разработанный комплекс позволяет строить основные характеристики импульсов ЧР и производить статистическое накопление полученной информации за требуемый временной интервал.

Summary

The new recording complex of partial discharges (PD), permitting is described to introduce main specifications PD in the optimum form by means of two or threedimensional charts: amplitude, frequency of repetitions and phase. The designed recording complex PD will be used for monitoring a condition of high-voltage isolators.

Литература

1. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование установок. Методы измерения частичных разрядов.

2. M.Hikita et.al. Measurements of Partial Discharges by Computer and Analysis of Partial Discharge Distribution by the Monte Carlo Method. // IEEE Trans on Elec. Insul.,vol.25, 1990.- 453-467 pp.

3. R.J. Van Brunt et.al. Importance of Unraveling Memory Propagation Effects in Interpreting Data on Partial Discharge Statistics. // IEEE Trans on Elec. Insul.,vol.28, 1993.- 905-916 pp.

Поступила 24.10.2005

© Проблемы энергетики, 2005, № 11-12