Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования
METHOD OF INSPECTING TECHNICAL STATE OF ELECTRIC POWER GENERATING EQUIPMENT

Изобретение относится к способам шумовой и квазишумовой диагностики дефектности электроэнергетического (ЭЭ) оборудования (типа силовых автотрансформаторов, трансформаторов напряжений, трансформаторов токов, управляющих шунтирующих реакторов и прочих аналогичных устройств), находящегося под напряжением, и предназначено для создания диагностических информационно-измерительных комплексов контроля технического состояния такого оборудования.
Известен способ контроля технического состояния ЭЭ оборудования, в котором полную дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению белого шума этого оборудования [1]. Этот способ является дистанционным и базируется на измерении средней интенсивности потока электромагнитных импульсов, излучаемых контролируемым ЭЭ оборудованием, находящимся под напряжением, вследствие действия электрических разрядов в изоляции его наружных и внутренних конструктивных элементов. При этом измерения выполняют с помощью широкополосной приемной антенны произвольной поляризации, подключенной к входу специально изготовленного регистратора средней интенсивности потока электромагнитных импульсов, создаваемых контролируемым ЭЭ оборудованием во всей рабочей полосе частот измерительной аппаратуры. Рабочие частоты измерения превышают значения ƒ=150-200 MHz и лежат в высокочастотной части области совместного действия белых шумов (шумов ионизации изоляции с равномерным спектром) и квазигармонических составляющих с резонансными частотами добротных колебательных цепей ЭЭ оборудования [2, 3], где имеются шансы обнаружить участок чистого белого шума (не замаскированного квазигармоническими составляющими), протяженностью в одну частотную декаду и более, чтобы оправдать применение в нем широкополосной приемной антенны. Авторы аналога полагают, что измеряемая ими средняя интенсивность потока электромагнитных импульсов характеризует интегральную мощность белого шума, излучаемого контролируемым ЭЭ оборудованием в полосе рабочих частот измерительной аппаратуры, и что дистанционная диагностика дефектности контролируемого оборудования в аналоге осуществляется по интенсивности белого шума. По результатам измерений строят зависимость средней интенсивности потока излучаемых импульсов от порога обнаружения, а в качестве диагностических параметров используют крутизны наклонов отрезков аппроксимирующих прямых на участках этой зависимости, количество интервалов, необходимых для такой аппроксимации, и значения координат точек перегибов указанной зависимости. При этом полную дефектность контролируемого ЭЭ оборудования устанавливают по динамике изменения указанных диагностических параметров при выполнении серий периодических измерений на временных интервалах, разделенных месяцами и годами эксплуатации этого оборудования.
Недостатки этого решения обусловлены тем, что с повышением дефектности контролируемого ЭЭ оборудования интенсивность излучаемого этим оборудованием белого шума растет медленнее, чем интенсивность фликкерного шума, тоже создаваемого контролируемым оборудованием [4]. Следовательно, диагностика дефектности ЭЭ оборудования по фликкерному шуму более перспективна с позиций увеличения чувствительности и надежности диагностирования.
Кроме того, без дополнительных спектральных измерений, не предусмотренных в известном способе [1], нельзя однозначно утверждать, средняя интенсивность каких импульсов измеряется в этом способе: шумовых (как полагают авторы) или детерминированных, тоже создаваемых контролируемым ЭЭ оборудованием на частотах действия белых шумов [2, 3], что также ведет к снижению надежности диагностирования дефектности в известном способе.
Известен также, принятый за прототип, способ контроля технического состояния ЭЭ оборудования, включающий определение полной его дефектности под напряжением, с учетом данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании, полученным при сравнении интенсивностей фликкерных шумов в измеренных в эквивалентных условиях энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых вводов напряжений в контролируемом и однотипном с ним эталонном образцах оборудования [5]. Этот способ относится к методам встроенной диагностики по интенсивности фликкерных шумов и базируется на измерениях известным образом (например, с помощью высокочувствительного измерителя шума [6]) энергетических спектров токов контрольных ответвлений для одинаковых вводов напряжений в контролируемом и эталонном образцах ЭЭ оборудования в эквивалентных условиях их эксплуатации и с применением единых метрических средств на частотах действия фликкерных шумов, не замаскированных интенсивными квазигармоническими составляющими в спектрах с частотами питающей промышленной сети и ее верхних гармоник, а также с резонансными частотами добротных колебательных цепей тестируемого ЭЭ оборудования [см. 2, 3]. При этом рекомендуемый основной частотный диапазон измерений указанных выше спектров составляет ƒ=10 kHz - 1 MHz (запасной вариант ƒ=0,1-10 Hz). Благодаря применению высокочувствительного измерителя шума [6], отделяющего исследуемые шумы от собственных шумов измерительной аппаратуры, чувствительность диагностирования полной дефектности контролируемого ЭЭ оборудования в прототипе на 10-20 dB выше, чем в аналоге, также, как и надежность диагностирования дефектности.
Основные недостатки прототипа связаны с тем, что он предполагает наличие в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых k-х вводов напряжений (где k=1, 2, 3, … - порядковый номер тестируемого ввода напряжения в указанном оборудовании) у эталонного и контролируемого образцов ЭЭ оборудования на рекомендованных основных и запасных частотах измерений участков чистых фликкерных шумов, протяженностью в 1,5-2,0 декады, со спектрами вида
ik
F
eƒk
Fk
2
ν
(S)/I=A/ƒ,
ik
F
где (S) - спектральная плотность фликкерного шума в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения;
eƒk
I - эффективное значение тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения с частотой питающей промышленной сети;
Fk
A - параметр линейной аппроксимации спектра фликкерного шума, зависящий от концентрации дефектов в изоляции тестируемого оборудования;
ν=1.0 - параметр линейной аппроксимации, характеризующий средний наклон частотного хода спектра фликкерного шума (полагается, что спектр представлен в логарифмических масштабах по обеим осям графика).
Fk
При этом в качестве диагностического параметра для определения дефектности по отдельному k-му вводу напряжения в контролируемом образце оборудования в способе-прототипе используется разность интенсивностей фликкерных шумов на средних (в логарифмическом масштабе) частотах ƒ* одинаковых участков чистых фликкерных шумов, протяженностью в 1,5-2,0 декады, в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений k-х вводов напряжений в контролируемом и эталонном оборудовании.
ik
F
еƒk
Fk
2
ν
В действительности (как показали измерения) протяженные участки чистых фликкерных шумов, не замаскированные интенсивными квазигармоническими составляющими с частотами питающей промышленной сети и ее верхних гармоник, а также с резонансными частотами добротных колебательных цепей ЭЭ оборудования [2, 3] могут отсутствовать в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений тестируемых вводов напряжений у контролируемого и эталонного оборудования на рекомендованных в способе-прототипе основных частотах измерения. Кроме того, в пределах 1,5-2,0 частотных декад фликкерные шумы со спектрами вида (S)/I=A/ƒ, где ν=1,0, существуют, как правило, только в ЭЭ оборудовании с сильной и опасной дефектностью. В оборудовании с умеренной, слабой и эталонной дефектностями параметр ν во фликкерных областях спектров меняется в пределах от 1,4 до 1,8.
Наконец, использование в способе-прототипе для определения дефектностей по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом оборудовании в качестве диагностического параметра разности интенсивностей фликкерных шумов на средних (в логарифмическом масштабе) частотах одинаковых участков чистых фликкерных шумов в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений k-х вводов напряжений в контролируемом и эталонном образцах оборудования на рекомендованных частотах измерений (основной диапазон ƒ=10 kHz - 1 MHz, запасной диапазон ƒ=0.1-10 Hz) не эффективно, т.к. при этом потенциальные возможности увеличения чувствительности и повышения надежности диагностирования дефектностей по интенсивности фликкерного шума не используются полностью. Во многих практических случаях на средней частоте основного рекомендуемого в прототипе частотного диапазона измерения спектров интенсивность фликкерного шума растет с увеличением дефектности контролируемого оборудования примерно так же, как интенсивность белого шума в способе-аналоге. На средней же частоте запасного рекомендованного в прототипе частотного диапазона измерений интенсивность фликкерного шума с увеличением дефектности контролируемого оборудования растет даже слабее, чем интенсивность белого шума.
Из сказанного следует, что ввиду отмеченных недостатков известный способ-прототип [5], как и известный способ-аналог [1], не обладает требуемой чувствительностью и надежностью диагностирования полной дефектности контролируемого ЭЭ оборудования.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования, обладающего, в сравнении с прототипом, увеличенной чувствительностью и повышенной надежностью диагностирования полной дефектности ЭЭ оборудования.
1k
2k
2k
Для решения поставленной задачи в способе контроля технического состояния электроэнергетического оборудования, включающем определение полной его дефектности под напряжением, с учетом данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании, полученным при сравнении интенсивностей фликкерных шумов в измеренных в эквивалентных условиях энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых вводов напряжений в контролируемом и однотипном с ним эталонном образцах оборудования, согласно изобретению сначала измеряют энергетические спектры токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений эталонного и контролируемого образцов оборудования, на частотах совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети, ее верхних гармоник и с резонансными частотами добротных колебательный цепей этого оборудования, затем выделяют в измеренных спектрах компоненты фликкерных и белых шумов и определяют частоты раздела ƒ и ƒ областей доминирующего действия указанных шумовых компонентов в спектрах для одинаковых k-х вводов напряжений эталонного и контролируемого образцов оборудования, после чего фиксируют в спектрах интенсивности фликкерных шумов на частотах анализа, равных значениям частот раздела областей доминирующего действия компонентов фликкерных и белых шумов в спектрах для контролируемого образца оборудования, при этом на частотах ƒ и из сравнения фиксированных интенсивностей фликкерных шумов для одинаковых k-х вводов напряжений в эталонном и контролируемом образцах оборудования устанавливают дефектности по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом образце оборудования и его полную дефектность.
В заявляемом способе контроля технического состояния ЭЭ оборудования общим с прототипом существенным признаком является то, что в нем «…полную дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют с учетом данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании, полученным на основании сравнения интенсивностей фликкерных шумов в измеренных в эквивалентных условиях энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых вводов напряжений в контролируемом и однотипном с ним эталонном образцах оборудования…».
Следовательно, предлагаемый способ контроля технического состояния ЭЭ оборудования, как и способ-прототип, относится к методам встроенной диагностики по интенсивности фликкерного шума в этом оборудовании, и в нем (в заявляемом способе) полную дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по предварительно полученным данным о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании. Причем данные о дефектностях по отдельным вводам напряжений в контролируемом оборудовании получают в предлагаемом способе (как и в способе-прототипе) на основании сравнения интенсивностей фликкерных компонентов шумов в измеренных в эквивалентных условиях, т.е. в одинаковых условиях эксплуатации оборудования и с применением единых метрических средств (например, с помощью известного измерителя [6]), энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых вводов напряжений в контролируемом и однотипном с ним эталонном образцах оборудования.
Критерии для определения полной дефектности контролируемого ЭЭ оборудования на основании предварительно определенных дефектностей по отдельным тестируемым вводам напряжений в этом оборудовании могут быть достаточно простыми и универсальными для различных типов оборудования, например такими же, как и используемые в способе-прототипе.
Слабая полная дефектность контролируемого ЭЭ оборудования соответствует слабым дефектностям по всем тестированным вводам напряжений. (1)
Умеренная полная дефектность контролируемого ЭЭ оборудования соответствует умеренной дефектности хотя бы по одному из тестированных вводов напряжений в нем при слабых и (или) умеренных дефектностях по остальным тестированным вводам. (2)
Сильная полная дефектность контролируемого ЭЭ оборудования соответствует сильной дефектности хотя бы по одному из тестированных вводов напряжений в нем при слабых, и (или) умеренных, и (или) сильных дефектностях по остальным тестированным вводам. (3)
Опасная полная дефектность контролируемого ЭЭ оборудования соответствует опасной дефектности хотя бы по одному из тестированных вводов напряжений, при любых дефектностях по остальным тестированным вводам. (4)
Признаки отличительной части формулы предлагаемого изобретения обеспечивают решение поставленной задачи.
Сравнительный анализ отличительных признаков заявляемого решениях с признаками прототипа свидетельствует о достаточной новизне и неочевидности заявляемого решения.
Отличительный признак «…сначала измеряют энергетические спектры токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений эталонного и контролируемого образцов оборудования, на частотах совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети, ее верхних гармоник и с резонансными частотами добротных колебательный цепей этого оборудования…» определяет рекомендуемый в заявляемом способе частотный диапазон измерений энергетических спектров токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений в контролируемом и эталонном образцах ЭЭ оборудования, который располагается на частотах совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и интенсивных квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети, ее верхних гармоник и с резонансными частотами добротных колебательных цепей диагностируемого ЭЭ оборудования, т.е. на основных частотах ƒ=3 kHz - 300 MHz (запасной вариант - на частотах ƒ=3 Hz - 3 GHz), а не на основных частотах ƒ=10 kHz - 1 MHz (запасной вариант - на частотах ƒ=0.1-10.0 Hz), как в способе-прототипе.
1k
2k
eƒ1k
eƒ2k
i1k
W
eƒ1k
i2k
W
eƒ2k
i1k
F
eƒ1k
F1k
i2k
F
eƒ2k
F2k
F1k
F2k
1k
2k
1k
2k
2
2
2
2
2
ν1k
2
ν2k
Отличительный признак «…затем выделяют в измеренных спектрах компоненты фликкерных и белых шумов и определяют частоты раздела ƒ и ƒ областей доминирующего действия указанных шумовых компонентов в спектрах для одинаковых k-х вводов напряжений эталонного и контролируемого образцов оборудования…» предлагает с помощью простых математических методов, например методом линейной аппроксимации (с последующей экстраполяцией результата аппроксимации на весь частотный диапазон измерений) набора экспериментальных точек численностью 10-30 (при недостаточной численности экспериментальных точек диапазон частот измерений расширяют до рекомендуемого запасного варианта), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в измеренных нормированных энергетических спектрах токов (нормировка спектров выполняется на квадраты эффективных значений I, I токов контрольных ответвлений k-вводов напряжений с частотой питающей промышленной сети отдельно для эталонного и контролируемого образцов оборудования и нужна для универсальности представления спектров в логарифмических масштабах по обеим осям графиков) в интервале интенсивностей, равном удвоенной для белых шумов и утроенной для фликкерных шумов статистической погрешности измерений (увеличенный интервал интенсивностей для фликккерных шумов учитывает волнистый характер спектров этих шумов при более точной нелинейной аппроксимации их, выполненной в [7]), выделить в нормированных спектрах для тестируемых одинаковых k-вводов напряжений эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов ЭЭ оборудования компоненты белых шумов с равномерными спектрами (S)/I, (S)/I и компоненты фликкерных шумов со спектрами вида (S)/I=A/ƒ, (S)/I=A/ƒ, где A, A - параметры линейной аппроксимации компонентов фликкерных шумов, зависящие от концентрации дефектов в изоляции рассматриваемых образцов ЭЭ оборудования, ν, ν - параметры линейной аппроксимации, меняющие свои значения от 1,8 в эталонном оборудовании до 1,0 в оборудовании с сильной и опасной дефектностью и характеризующие средние наклоны компонентов фликкерных шумов в нормированных спектрах токов на рекомендованных частотах измерений (чего нет в способе-прототипе), и определить частоты раздела ƒ и ƒ областей доминирующего действия компонентов фликкерных и белых шумов в спектрах для одинаковых k-х вводов напряжений эталонного и контролируемого образцов оборудования (чего тоже нет в прототипе).
2k
2k
2k
Отличительный признак, указывающий, что в заключение «…фиксируют в спектрах интенсивности фликкерных шумов на частотах анализа, равных значениям частот раздела областей доминирующего действия компонентов фликкерных и белых шумов в спектрах для контролируемого образца оборудования, при этом на частотах ƒ и из сравнения фиксированных интенсивностей фликкерных шумов для одинаковых k-х вводов напряжений в эталонном и контролируемом образцах оборудования устанавливают дефектности по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом образце оборудования и его полную дефектность», рекомендует фиксировать в нормированных спектрах токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений в эталонном и контролируемом образцах оборудования интенсивности фликкерных компонентов шумов на частотах анализа, равных значениям ƒ (чего нет в способе-прототипе), где в спектрах для контролируемого образца оборудования в пределах областей доминирующего действия фликкерных компонентов шумов наблюдается максимальный рост интенсивности этих шумов при увеличении дефектности указанного образца оборудования по k-му вводу напряжения, и, сравнивая фиксированные интенсивности для одинаковых k-х вводов напряжений в эталонном и контролируемом образцах оборудования, т.е. сравнивая интенсивности фликкерных шумов на частотах ƒ (а не на средних в логарифмическом масштабе частотах одинаковых участков чистых фликкерных шумов, протяженностью в 1,5-2,0 частотные декады, в спектрах для эталонного и контролируемого образцов оборудования, как это делается в прототипе), и вычисляя соответствующие разности интенсивностей фликкерных шумов, которые растут с увеличением дефектности контролируемого оборудования по k-му вводу напряжения, разрабатывать критерии для определения дефектностей по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом оборудовании и, применяя эти критерии и критерии (1-4), определять дефектности по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом образце оборудования и полную дефектность контролируемого образца оборудования с повышенными чувствительностью и надежностью диагностирования в сравнении со способом-прототипом, благодаря предложенному в заявляемом способе алгоритму обработки результатов измерения спектров.
2k
Выполненные нами измерения показали, что с увеличением дефектности контролируемого ЭЭ оборудования интенсивности фликкерных компонентов шумов на максимальных частотах ƒ их доминирующего действия в спектрах токов контрольных ответвлений k-х вводов напряжений этого оборудования возрастают, по минимуму, на 5-15 dB быстрее, чем интенсивности компонентов белых шумов (экспериментальное подтверждение приведено в примере практической реализации заявляемого способа).
2k
Можно предложить, поэтому, следующие простые и универсальные критерии, слабо зависящие от типа ЭЭ оборудования, для определения дефектностей по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом оборудовании по фиксированным интенсивностям фликкерных компонентов шумов на частотах ƒ в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых k-х вводов напряжений в эталонном и контролируемом образцах оборудования.
2k
2k
Слабая дефектность по отдельному k-му вводу напряжения в контролируемом образце ЭЭ оборудования соответствует превышению в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения этого оборудования интенсивности фликкерного компонента шума на максимальной частоте доминирующего действия указанного компонента ƒ над таковой, на той же частоте ƒ в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения эталонного образца оборудования на величину до 20 dB. (5)
2k
2k
Умеренная дефектность по отдельному k-му вводу напряжения в контролируемом образце ЭЭ оборудования соответствует превышению в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения этого оборудования интенсивности фликкерного компонента шума на максимальной частоте доминирующего действия указанного компонента ƒ над таковой, на той же частоте ƒ в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения эталонного образца оборудования на величину от 20 до 40 dB. (6)
2k
2k
Сильная дефектность по отдельному k-му вводу напряжения в контролируемом образце ЭЭ оборудования соответствует превышению в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения этого оборудования интенсивности фликкерного компонента шума на максимальной частоте доминирующего действия указанного компонента ƒ над таковой, на той же частоте ƒ в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения эталонного образца оборудования на величину от 40 до 60 dB. (7)
2k
2k
Опасная дефектность по отдельному k-му вводу напряжения в контролируемом образце ЭЭ оборудования соответствует превышению в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения этого оборудования интенсивности фликкерного компонента шума на максимальной частоте доминирующего действия указанного компонента ƒ над таковой, на той же частоте ƒ в спектре тока контрольного ответвления k-го ввода напряжения эталонного образца оборудования на величину 60 dB и более. (8)
F1k
1k
1k
В качестве эталона в предлагаемом способе может использоваться новое ЭЭ оборудование или оборудование с минимальным значением параметра аппроксимации A и с максимальными значениями параметров ν и ƒ среди всех обследованных образцов оборудования данного типа. Благодаря сравнению с эталоном, предложенные выше критерии (5-8) и (1-4), а также полученные с применением этих критериев оценки дефектностей по отдельным вводам напряжений и полной дефектности контролируемого оборудования проявляют слабую чувствительность к сторонним помехам, меньшую, чем в способе-прототипе (и в других известных способах-аналогах), так как квазигармонические составляющие в измеренных спектрах (среди которых присутствуют и помехи, связанные с действием вещательных и профессиональных телевизионных и радиостанций) исключаются в предлагаемом способе из рассмотрения при выделении в спектрах компонентов фликкерных и белых шумов, что сопровождается ростом надежности диагностирования дефектностей по отдельным тестируемым вводам напряжений и полной дефектности контролируемого оборудования.
2k
Отметим также, что используемый в предлагаемом способе диагностический параметр для определения дефектностей по отдельным k-м вводам напряжений в контролируемом ЭЭ оборудовании (разница интенсивностей фликкерных шумов в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений в контролируемом и эталонном образцах оборудования на частоте анализа ƒ) выгодно отличается от такового, используемого в способе-прототипе. С учетом отмеченного выше изменения наклона частотного хода компонента фликкерного шума в спектре тока контрольного ответвления тестируемого ввода напряжения контролируемого оборудования с ростом дефектности этого оборудования по указанному вводу используемый в предлагаемом изобретении диагностический параметр соответствует (в пределах области доминирующего действия фликкерного компонента шума в контролируемом оборудовании) максимальной возможной разности интенсивностей компонентов фликкерных шумов в спектрах токов контрольных ответвлений одинаковых вводов напряжений у контролируемого и эталонного образцов оборудования (экспериментальное подтверждение приведено в примере практической реализации предлагаемого способа).
Благодаря последнему обстоятельству, чувствительность диагностирования дефектностей по отдельным тестируемым вводам напряжений в контролируемом ЭЭ оборудовании с применением критериев (5-8) и чувствительность диагностирования полной дефектности контролируемого оборудования с применением критериев (1-4) в предлагаемом способе, по минимуму, на 5-15 dB выше, чем в способе-прототипе. При этом выигрыш в чувствительности увеличивается с ростом дефектности контролируемого образца оборудования и сопровождается повышением надежности диагностирования дефектности этого образца.
Полезно учитывать также, что в предлагаемом способе рекомендуемый запасной (расширенный) частотный диапазон измерений можно использовать как резерв для дополнительного повышения надежности диагностирования дефектности ЭЭ оборудования, поскольку с расширением частотного диапазона измерений увеличивается точность и надежность выделения компонентов фликкерных и белых шумов в энергетических спектрах токов контрольных ответвлений тестируемых вводов напряжений.
Fk
Аналогичная возможность в способе-прототипе отсутствует. В прототипе, одновременно со смещением рекомендуемого частотного диапазона измерений спектров в область низких частот (запасной вариант), существенно уменьшается значение средней в логарифмическом масштабе частоты ƒ*, на которой осуществляется сравнение интенсивностей фликкерных шумов в спектрах токов контрольных ответвлений для одинаковых k-х вводов напряжений в контролируемом и эталонном образцах оборудования. При этом чувствительности и надежности диагностирования дефектностей по тестируемым вводам напряжений и полной дефектности контролируемого образца оборудования в прототипе не возрастают, а падают.
Следовательно, в заявляемом способе контроля технического состояния ЭЭ оборудования все достоинства прототипа сохранены и умножены. При этом заявляемый способ, в сравнении со способом-прототипом, обеспечивает увеличенную как минимум на 5-75 dB чувствительность и повышенную надежность диагностирования полной дефектности контролируемого оборудования.
Из сказанного следует, что предложенная совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования обеспечивает решение поставленной задачи и достижение желаемого технического результата.
Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования позволила увеличить чувствительность и повысить надежность диагностирования дефектностей по тестируемым вводам напряжений и полной дефектности этого оборудования.
При этом заявляемое изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, ибо оно не следует явным образом из известных технических решений и пригодно для практического применения.
Реализацию заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования покажем на примере диагностирования полной дефектности силового однофазного высоковольтного (ВВ) автотрансформатора напряжения АОДЦТН 16700/500/220, широко используемого на распределительных электрических подстанциях РФ.
В данном трансформаторе ВВ ввод 1 подключен к линии передачи напряжения 500 kV от питающей электростанции, ВВ ввод 2 - к линии передачи напряжения 220 kV основному потребителю, низковольтный (НВ) ввод 3 - заземлен, НВ вводы 4 и 5 подключены к линии передачи напряжения 11 kV местному потребителю.
ВВ вводы 1 и 2 диагностируемого трансформатора имеют штатные встроенные контрольные ответвления, к которым через емкостный делитель можно подключить переносное устройство [6] для измерения энергетических спектров токов контрольных ответвлений ВВ вводов напряжений (как это делается в прототипе).
НВ вводы 3, 4, 5 данного трансформатора не оборудованы штатными встроенными контрольными ответвлениями. Поэтому для реализации полного потенциала предлагаемого изобретения и выполнения процедур определения дефектностей по всем вводам напряжений в диагностируемом автотрансформаторе необходимо оформить заказ предприятию-изготовителю данных трансформаторов на проектирование и изготовление контрольных ответвлений для всех вводов напряжений в нем.
Пока же можно ограничиться диагностированием полной дефектности упомянутого трансформатора по предварительно определенным дефектностям по его ВВ вводам 1 и 2. Такой подход оправдан, т.к. с позиций обеспечения нормального функционирования данного трансформатора ВВ вводы напряжений являются наиболее уязвимыми среди полного набора вводов этого трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан (в логарифмических масштабах по обеим осям) нормированный энергетический спектр тока контрольного ответвления ВВ ввода 1, снятый в июне 2010 года в номинальном режиме эксплуатации для эталонного (первого) образца автотрансформатора (АТ-1 фаза А) на частотах анализа ƒ=3 kHz - 300 Hz с применением измерителя [6]. Слабые (эталонные) дефектности данного трансформатора по ВВ вводам 1, 2 и слабая (эталонная) полная дефектность этого образца трансформатора на июнь 2010 года подтверждены способами [8, 9]; на фиг. 2 дан (в логарифмических масштабах по обеим осям) нормированный энергетический спектр тока контрольного ответвления ВВ ввода 1, снятый в июле 2014 года в номинальном режиме эксплуатации для контролируемого (второго) образца трансформатора (АТ-1, резервный, фаза А) на тех же частотах анализа ƒ=3 kHz - 300 Hz с применением того же измерителя [6]; на фиг. 3 схематически дано ЭЭ оборудование.
На фиг. 1 и фиг. 2 использованы следующие обозначения:
i11
eƒ11
i21
eƒ21
2
2
S/I, S/I - нормированные энергетические спектры токов контрольных ответвлений для первых (k=1) ВВ вводов напряжений эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов в dB/Hz;
i11
i21
2
S, S - энергетические спектры токов контрольных ответвлений для первых ВВ вводов напряжений эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов в A/Hz;
eƒ11
eƒ21
с
I, I - эффективные значения в токов контрольных ответвлений для первых ВВ вводов эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов с частотой питающей промышленной сети ƒ=50 Hz;
ƒ - частота анализа спектров в Hz;
i11
F
eƒ11
F11
i21
F
eƒ21
F21
i11
W
eƒ11
i21
W
eƒ21
2
ν11
2
ν21
2
2
(S)/I=A/ƒ, (S)/I=A/ƒ и (S)/I, (S)/I - компоненты фликкерных и белых шумов в нормированных спектрах токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов для эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов в dB/Hz (показаны пунктирными линиями);
F11
F21
A, A - размерные параметры линейной аппроксимации фликкерных компонентов шумов в dB/Hz в нормированных спектрах токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов для эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов.
11
21
ν, ν - безразмерные параметры линейной аппроксимации фликкерных компонентов шумов, характеризующие средние наклоны этих компонентов в нормированных спектрах токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов для эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов;
11
21
ƒ, ƒ - частоты раздела в Hz областей доминирующего действия компонентов фликкерных и белых шумов в нормированных спектрах токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов напряжений для эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов.
i11
i21
eƒ11
eƒ12
с
2
2
На фигурах 1 и 2 выполнена нормировка спектров токов S, S для контрольных ответвлений первых ВВ вводов напряжений эталонного (первого) и контролируемого (второго) образцов трансформаторов на величины I, I. Нормировка означает, что отсчеты спектральных плотностей по вертикальным осям на фиг. 1 и фиг. 2 ведутся в относительных единицах, т.е. в dB/Hz от квадратов эффективных значений токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов напряжений эталонного (первого) и контролируемого (второго) трансформаторов с частотой питающей промышленной сети ƒ=50 Hz. Нормировка нужна для универсальности представления графической информации, ибо в таком виде нормированный энергетический спектр тока контрольного ответвления тестируемого ввода напряжения совпадает с нормированным спектром тока самого этого ввода.
с
с
В левой части спектра фиг. 1, на частотах анализа ƒ=3-18 kHz, видны пики квазигармонических колебаний с частотами верхних гармоник промышленной сети mƒ, где ƒ=50 Hz и m=90, 170, 250, 330. Затем на частотах анализа ƒ=18-200 kHz следует участок чистого фликкерного шума, протяженностью в 1,2 частотной декады (а не протяженностью в 1,5-2,0 декады и более, как требуется в способе-прототипе), в средней части которого имеется небольшой квазигармонический пик.
В правой части спектра фиг. 1, на частотах анализа ƒ=200 kHz - 1 MHz, имеется участок чистого белого шума протяженностью в 0.7 частотной декады. Затем на частотах ƒ=2-300 MHz (измерения на частотах ƒ=1,0-2,0 MHz не выполнялись по техническим причинам) наблюдаются интенсивные пики квазигармонических составляющих с резонансными частотами добротных колебательных цепей эталонного трансформатора, изредка прерываемые короткими участками белого шума с частотами: 8-9 MHz, 11-12 MHz, 22-24 MHz, 33-35 MHz, 110-130 MHz, 140-170 MHz, 180-190 MHz и 230-300 MHz.
i11
eƒ11
F11
min
F
F
F11
11
11
11
2
ν11
Выполняя для участка спектра с частотами ƒ=7-200 kHz (см. фиг. 1) линейную аппроксимацию зависимостью вида S/I=A/ƒ для набора экспериментальных точек a, b, с, …, (требуемая полная численность точек 20-30, при недостаточном числе точек спектральные измерения следует продолжить в низкочастотной области вплоть до минимальной запасной рекомендуемой частоты ƒ=3 Hz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в нормированном спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 эталонного трансформатора в интервале интенсивностей, равном утроенной статистической погрешности измерения на частотах действия фликкерных шумов 3β (величина 3β в нашем случае на частотах ƒ=7-200 kHz составляла 4,5 dB), выделим фликкерный компонент шума в нормированном спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 эталонного трансформатора (наклонная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений) и определим его параметры: A=-91 dB/Hz, ν=1,8. Отметим, что фликкерный компонент шума в энергетическом спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 у эталонного трансформатора в интервале чуть менее двух частотных декад характеризуется значением ν=1,8 (а не значением ν=1, как это предполагается в способе-прототипе).
max
W
W
i11
W
eƒ11
11
i11
W
eƒ11
11
11
11
2
2
Аналогично, выполняя на частотах ƒ=200 kHz - 300 MHz (см. фиг. 1) аппроксимацию линией, параллельной оси частот ƒ, набора экспериментальных точек A, B, C, …, Y (необходимая численность точек 10-20, при недостаточном числе точек спектральные измерения следует продолжить в высокочастотной области вплоть до максимальной запасной рекомендуемой частоты ƒ=3 GHz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в нормированном спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 эталонного трансформатора в интервале интенсивностей, равном удвоенной погрешности измерения на частотах действия белых шумов 2β (величина 2β в нашем случае на частотах ƒ=200 kHz - 300 MHz составляла 2 dB), выделим компонент белого шума с равномерным спектром (горизонтальная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений), определим его спектральную плотность (S)/I и уточним значение частоты ƒ, разделяющей области доминирующего действия компонентов фликкерного и белого шумов в спектре тока ВВ ввода 1 у эталонного трансформатора: (S)/I=-187 dB/Hz и ƒ=200 kHz (частота ƒ соответствует точке z на пересечении линейных пунктирных аппроксимаций для фликкерного и белого компонентов шумов). Отметим, что такие процедуры в прототипе не выполняются.
с
с
В левой части спектра фиг. 2, на частотах анализа ƒ=3-20 kHz, видны пики квазигармонических колебаний с частотами верхних гармоник питающей промышленной сети mƒ, где ƒ=50 Hz, m=90, 130, 170, 210, 250, 290, 330, 370. Затем на частотах анализа ƒ=20-120 kHz следуют короткие участки фликкерных шумов с частотами: 20-35 kHz, 40-50 kHz, 70-95 kHz, 105-120 kHz, чередующиеся с интенсивными квазигармоническими составляющими с резонансными частотами добротных колебательных цепей контролируемого трансформатора (а не участок чистого фликкерного шума протяженностью в 1,5-2,0 декады, как предполагается в прототипе).
В правой части спектра фиг. 2, на частотах анализа ƒ=120 kHz - 300 MHz, наблюдается «густой лес», состоящий из интенсивных пиков квазигармонических составляющих с резонансными частотами добротных колебательных цепей контролируемого трансформатора, изредка прерываемых короткими участками белого шума с частотами: 10-12 MHz, 27-30 MHz, 70-73 MHz, 115-120 MHz, 130-150 MHz, 160-210 MHz и 220-300 MHz.
i21
eƒ21
F21
min
βF
βF
F21
21
21
21
F21
F11
2
21
Выполняя для участка спектра с частотами ƒ=7-120 kHz (см. фиг. 2) линейную аппроксимацию зависимостью вида S/I=A/ƒ для набора экспериментальных точек a, b, c, …, y (необходимая численность точек 20-30, при недостаточном числе точек спектральные измерения следует продолжить в низкочастотной области вплоть до минимальной запасной рекомендуемой частоты измерений ƒ=3 Hz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в нормированном спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 контролируемого трансформатора в интервале интенсивностей, равном утроенной статистической погрешности измерения на частотах действия фликкерных шумов 3 (величина 3, в нашем случае, на частотах ƒ=7-120 kHz составляла 4,5 dB), выделим компонент фликкерного шума в спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 контролируемого трансформатора (наклонная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений) и определим его параметры: A=-88 dB/Hz, ν=1,4. Отметим, что фликкерный компонент шума в энергетическом спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 контролируемого трансформатора характеризуется значением ν=1,4 (а не значением ν=1, как это предполагается в способе-прототипе). Значение параметра A в спектре для контролируемого образца трансформатора, зависящее от концентрации дефектов в изоляции этого трансформатора, на 3 dB превышает значение параметра A в спектре для контролируемого трансформатора.
max
W
W
i21
W
eƒ21
21
i21
W
eƒ21
21
21
21
2
2
Аналогично, выполняя на частотах ƒ=10-300 MHz (см. фиг. 2) аппроксимацию линией, параллельной оси частот ƒ, набора экспериментальных точек A, B, C, …, Y (численностью 10-20, при недостаточном числе экспериментальных точек спектральные измерения следует продолжить в высокочастотной области вплоть до максимальной рекомендуемой запасной частоты ƒ=3 GHz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в нормированном спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 контролируемого трансформатора в интервале интенсивностей, равном удвоенной статистической погрешности измерения на частотах действия белых шумов 2β (величина 2β в нашем случае на частотах ƒ=10-300 MHz составляла 2 dB), выделим компонент белого шума с равномерным спектром (горизонтальная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений), определим его спектральную плотность (S)/I и значение частоты ƒ, разделяющей области доминирующего действия компонентов фликкерного и белого шумов в спектре для контролируемого трансформатора: (S)/I=-166 dB/Hz и ƒ=400 kHz (частота ƒ соответствует точке пересечения z экстраполированных линейных пунктирных аппроксимаций для фликкерного и белого компонентов шумов). Такие процедуры также отсутствуют в способе-прототипе.
Как видим, интенсивность белого шума в энергетическом спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 у контролируемого трансформатора превосходит таковую у эталонного трансформатора на 21 dB, что является признаком увеличенной дефектности контролируемого трансформатора по ВВ вводу 1 в сравнении с эталонным трансформатором.
21
Оценку для разности интенсивностей фликкерных шумов в спектрах токов контрольных ответвлений первых ВВ вводов напряжений у контролируемого и эталонного образцов трансформаторов в заявляемом способе предлагается выполнить на частоте раздела областей доминирующего действия фликкерного и белого шумов в спектре контролируемого трансформатора, т.е. в нашем случае на частоте ƒ=400 kHz.
21
21
21
i21
21
F
eƒ21
i11
21
F
eƒ11
21
1
2
2
Поэтому далее фиксируем для точек z (фиг. 2) и z (фиг. 1), соответствующих частоте анализа ƒ=400 kHz, нормированные значения спектральных плотностей фликкерных компонентов шумов в спектрах для контролируемого и эталонного трансформаторов и получаем: (S(ƒ))/I=-166 dB/Hz и (S(ƒ))/I=-192 dB/Hz. То есть интенсивность фликкерного компонента шума на частоте ƒ=400 kHz в спектре тока контрольного ответвления ВВ ввода 1 у контролируемого трансформатора превосходит таковую на той же частоте в спектре у эталонного трансформатора на 26 dB, что на 5 dB больше разницы интенсивностей белых шумов в указанных спектрах.
Последнее обстоятельство означает, что в рассматриваемом нами примере практической реализации заявляемого способа чувствительность диагностирования дефектности контролируемого трансформатора по ВВ вводу 1 будет на 5 dB выше, чем в прототипе.
1
1
Действительно, если для сравнения уровней фликкерных компонентов шумов в рассмотренном примере использовать значения спектральных плотностей на средней (в логарифмическом масштабе) частоте доминирующего действия фликкерных шумов, т.е. на частоте ƒ*=30 kHz в спектрах токов контрольных ответвлений для первых ВВ вводов напряжений в контролируемом и эталонном трансформаторах (подобно тому, как это делается в способе-прототипе для случая наличия в указанных спектрах участков чистых фликкерных шумов протяженностью в 1,5-2,0 частотных декады и более), то полученный выигрыш в чувствительности диагностирования дефектности по интенсивности фликкерных шумов не реализуется: разница уровней фликкерных шумов на средней частоте действия этих шумов ƒ*=30 kHz в спектрах для контролируемого и эталонного трансформаторов в этом примере составляет 21 dB и соответствует таковой для уровней белых шумов.
Теперь, используя критерии (5-8), мы можем в нашем примере практического применения заявляемого способа с чувствительностью на 5 dB выше, чем в способе-прототипе, оценить дефектность контролируемого трансформатора по ВВ вводу 1 как умеренную (что подтверждено способами [8, 9]). С ростом дефектности контролируемого трансформатора по ВВ вводу 1 указанный выигрыш в чувствительности диагностирования будет расти и составит в нашем примере: 10 dB - при сильной дефектности, 15 dB - при опасной дефектности. Причем с ростом чувствительности в предлагаемом способе повышается и надежность диагностирования дефектности по ВВ вводу 1 в контролируемом трансформаторе.
Аналогично, используя предлагаемый способ, с чувствительностью, на 6 dB превосходящей таковую в способе-прототипе, нами была определена дефектность контролируемого трансформатора по ВВ вводу 2, которая оказалась тоже умеренной (умеренная дефектность контролируемого трансформатора по ВВ вводу 2 подтверждена способами [8, 9]). С ростом дефектности контролируемого трансформатора по ВВ вводу 2 выигрыш в чувствительности диагностирования будет расти и составит в нашем случае: 12 dB - при сильной дефектности, 18 dB - при опасной дефектности. Причем с ростом чувствительности в предлагаемом способе повышается и надежность диагностирования дефектности по ВВ вводу 2 в контролируемом трансформаторе.
Следовательно, в заявляемом способе чувствительность диагностирования дефектностей по отдельным тестируемым вводам напряжений в контролируемом трансформаторе выше, чем в прототипе. Причем выигрыш в чувствительности увеличивается с ростом дефектности контролируемого трансформатора по вышеуказанным ВВ вводам напряжений и составляет: 5-6 dB - при умеренной дефектности, 10-12 dB - при сильной дефектности и 15-18 dB - при опасной дефектности тестируемого ввода напряжения. С ростом чувствительности в предлагаемом способе повышается и надежность диагностирования дефектностей по отдельным вводам напряжений в контролируемом трансформаторе.
Теперь с учетом полученных данных об умеренных дефектностях контролируемого трансформатора по ВВ вводам 1 и 2 в нашем практическом примере можно, используя критерии (1-4), с повышенной надежностью и с чувствительностью, превосходящей прототип в среднем на 5-6 dB, определить полную дефектность контролируемого трансформатора как умеренную (что подтверждено способами [8, 9]). При этом выигрыш в чувствительности диагностирования полной дефектности в заявляемом способе растет с увеличением дефектности контролируемого трансформатора и составит в нашем примере: 10-12 dB - при сильной полной дефектности, 15-18 dB - при опасной полной дефектности. С ростом чувствительности в заявляемом способе дополнительно растет и надежность диагностирования полной дефектности контролируемого трансформатора.
Мы продемонстрировали на конкретном примере, каким образом в заявляемом способе с увеличенной чувствительностью и повышенной надежностью определяются дефектности по отдельным вводам напряжений в контролируемом трансформаторе по интенсивности фликкерного шума в нем и достигается увеличение чувствительности и повышение надежности диагностирования полной дефектности этого трансформатора в сравнении с прототипом. При этом приведенный нами пример практической реализации оказался таким, что в нем, по существу, не удается корректно выполнить диагностику дефектности контролируемого трансформатора способом-прототипом, т.к. и в спектрах для контролируемого и эталонного трансформаторов на измеренных частотах анализа ƒ=3 kHz - 300 MHz отсутствуют одинаковые участки чистых фликкерных шумов протяженностью в 1,5-2,0 частотных декады, необходимые для применения способа-прототипа.
Следовательно, практическое применение заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования в нашем случае не просто позволило увеличить чувствительность и повысить надежность диагностирования полной дефектности контролируемого оборудования, но и сделало возможным само диагностирование там, где оказался несостоятельным известный способ-прототип.
Приведенный пример практической реализации заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭ оборудования убедительно доказывает новизну, практическую значимость и преимущества этого способа в сравнении с прототипом и другими известными способами-аналогами.
Источники информации
1. Глухов О.А., Коровкин Н.В., Балагула Ю.М. Методика оценки параметров частичных разрядов в высоковольтной изоляции при относительных измерениях их импульсных электромагнитных полей. Тр. 1V Межд. симп. по электромагнитной совместимости, С.-Петербург, 2001.
2. Dima M., Losev V. Generating electromagnetic fluctuations by electric condenser. Proceedings of the VIII Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. St.-Petersburg, 2009.
3. Клоков В.В., Лосев В.Л., Попович А.Б., Силин Н.В., Шевердин Д.Г. Развитая излучающая модель электроэнергетического оборудования. Москва, Электро, №2, 2011.
4. Klokov V., Losev V., Silin N., Sheverdin D., Tsepennikov D. Flicker-Noise Diagnostics of Power Electric Equipment. Proceedings of Int. Symp. on Electromagnetic Theory (EMTS-2010), Berlin, August, 2010.
5. Патент RU 2426997, опубликован 2011 - прототип.
6. Авторское свидетельство SU №1255954, опубликован 1986.
7. Brzhesinskiy A., Losev V., Ri Bak Son. Diagnostics of Electronic and Biological Systems by Flikker-Noise. Proceedings of the X Session of the Rus. Acoustics Soc, Section Noise and Vibration, v. 3, Moscow, RAES, 2000.
8. Патент RU 2311652, 2007.
9. Метод, указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. РД 153-34.0-46.302-00, РАО «ЕЭС России», Департамент научно-технической политики и развития РФ, М., 2001.