СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИФРОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПО ПАРАМЕТРАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ИЗОЛЯЦИИ
METHOD FOR DETERMINING TECHNICAL STATE OF A DIGITAL TRANSFORMER BASED ON PARAMETERS OF PARTIAL DISCHARGES IN INSULATION

Предлагаемое изобретение относится к технике высоких напряжений и может быть использовано для диагностики технического состояния цифровых трансформаторов по параметрам частичных разрядов в изоляции.
Широко известны цифровые трансформаторы тока и напряжения (например «Цифровой трансформатор тока и напряжения» по патенту на полезную модель №174411, МПК G01R 19/00, 2017 г., «Высоковольтное комбинированное цифровое устройство для измерения тока и напряжения» по патенту на полезную модель №159 201 МПК G01R 19/00,, 2017 г. и др.) включающие содержащий питающий электромагнитный трансформатор, измерительный электромагнитный трансформатор тока, магнитотранзисторный преобразователь и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током, цилиндрический шунт с внутренней полостью, включенный в рассечку токопровода и первичный преобразователь напряжения, помещенный внутрь опорного изолятора. Цифровые измерительные трансформаторы предназначены для преобразования величин тока и напряжения в первичных цепях в цифровой код во вторичных цепях, содержащий информацию о мгновенных значениях токов и напряжений, которые используются для целей измерения, определения параметров качества электроэнергии, учета электроэнергии, релейной защиты и автоматики. При лабораторных, приемо-сдаточных испытаниях, а также в процессе эксплуатации изоляция цифровых измерительных трансформаторов подвергается воздействию высокого напряжения. При этом внутри изоляции, на границах раздела изоляционных материалов и вблизи проводящих частей возможно возникновение разрядных процессов различной интенсивности с различными механизмами развития. Некоторые из этих разрядов связаны с процессами ионизации околокатодного или околоанодного пространства или представляют собой поверхностные разряды, другая часть является следствием низкого качества изготовления изоляционных материалов или следствием развития внутреннего дефекта изоляции. Особую опасность для измерительных трансформаторов представляют именно внутренние частичные разряды, которые вызывают деградацию изоляции. Данные разряды начинаются как локальные перекрытия дефектных зон диэлектрика и со временем могут вызвать пробой изоляции.
Таким образом, для обеспечения надежной работы цифровых трансформаторов тока и напряжения и предотвращения аварий, связанных с повреждением изоляции от частичных разрядов, необходимо осуществлять мониторинг разрядных процессов, определять их количественные и качественные характеристики, тенденции развития.
Известен способ мониторинга частичных разрядов в электрической системе (Патент на изобретение РФ №2532142 «Способ и система мониторинга частичных разрядов», МПК G01R 31/12 (2006.01), 2014 г), в котором: принимают импульс от электрической системы; идентифицируют, является ли импульс шумом или дублированным сигналом; если импульс является шумом или дублированным сигналом, тогда этот импульс отбрасывают; разбивают импульс на две или более частотные составляющие; нормализуют эти две или более частотные составляющие к виду максимального уровня; сравнивают две или более нормализованные частотные составляющие, связанные с принятым импульсом, с другим сохраненным множеством нормализованных, предварительно заданных частотных составляющих, связанных с другими импульсами, для идентифицирования сходных импульсов, указывающих известное состояние отказа; если импульс идентифицирован как импульс, указывающий известное состояние отказа, сохраняют данные в базе данных, связывая импульс с двумя или более нормализованными частотными составляющими и известным состоянием отказа; группируют спектр отказов импульсов со сходными нормализованными частотными составляющими в диаграмме разброса, сохраняемой в базе данных; если нормализованные частотные составляющие импульса не сходны с нормализованными частотными составляющими текущей группы, создают новую группу спектра отказов импульсов, сохраняемую в базе данных; и если импульс идентифицирован как указывающий известное состояние отказа, уведомляют пользователя о наличии состояния отказа.
К недостаткам данного способа можно отнести отсутствие отслеживания процессов развития величины кажущегося заряда, интенсивности разрядов и энергетических характеристик частичных разрядов, поскольку одно только спектральное содержание записываемых сигналов не дает полного представления о происходящих высокочастотных процессах.
Известен Способ мониторинга частичных разрядов в электрической системе (Патент на изобретение РФ №2505828 «Устройство мониторинга частичных разрядов», МПК G01R 31/12 (2006.01), 2014 г.), заключающийся в том, что определяют нижний порог срабатывания триггера и верхний порог срабатывания триггера, при этом нижний и верхний пороги срабатывания триггера являются уровнями амплитуды электрических импульсов, и верхний порог срабатывания триггера соответствует более высокой амплитуде, чем нижний порог срабатывания триггера, определяют длительность меньшего временного интервала, отслеживают по меньшей мере одну фазу электрической системы с целью обнаружения импульса на протяжении меньшего временного интервала, определяют максимальную амплитуду импульса, возникающего в электрической системе на протяжении меньшего временного интервала, устанавливают, превышает ли измеренная максимальная амплитуда импульса нижний порог срабатывания триггера и (или) верхний порог срабатывания триггера, присваивают импульсу коэффициент пульсации, если максимальная амплитуда импульса превышает нижний порог срабатывания триггера и (или) верхний порог срабатывания триггера, регистрируют импульс или касающуюся его информацию, если коэффициент пульсации, соответствующий импульсу, меньше предварительно заданного порогового коэффициента пульсаций в меньшем временном интервале, применяют временной сдвиг подвижного триггера, так что, если импульс превышает нижний порог срабатывания триггера, но не верхний порог срабатывания триггера, а коэффициент пульсации равен предварительно заданному числу пульсаций, регистрируют промежуток во времени на протяжении меньшего временного интервала, в котором это имеет место, и прекращают регистрацию импульсов с амплитудой, превышающей нижний порог срабатывания триггера, но не верхний порог срабатывания триггера, до наступления этого промежутка во времени в следующем меньшем временном интервале, и переустанавливают на ноль промежуток во времени временного сдвига подвижного триггера, и начинают регистрацию на протяжении следующего меньшего временного интервала импульсов с амплитудой, превышающей только нижний порог срабатывания триггера, после того, как величина временного сдвига подвижного триггера становится равной величине меньшего временного интервала, и сохраняют зарегистрированные импульсы в запоминающем устройстве.
Недостатком указанного способа является низкая достоверность результатов из-за отсутствия возможности контроля частотных характеристик высокочастотных всплесков, а так же фазы возникновения относительно питающего напряжения, и возможного наложения сигналов с более низкой или высокой частотой от различного вида естественных разрядных процессов (например, от коронного разряда).
Известен способ диагностики высоковольтного оборудования по параметрам частичных разрядов (Патент на изобретение РФ №2536795, МПК G01R 31/12 (2006.01), 2014 г.), заключающийся в том, что электромагнитное поле частичных разрядов в изоляции воспринимают индуктивным и емкостным датчиками, выходные сигналы которых фильтруют, усиливают и умножают один на другой и в соответствии со знаком произведения формируют информативные сигналы, первый из этих сигналов пропорционален текущему среднему значению кажущегося заряда частичных разрядов, а второй - текущему среднему значению длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, с помощью первого сигнала корректируется скорость изменения напряженности электрического поля в изоляции, обеспечивая стабилизацию текущего среднего значения кажущегося заряда частичных разрядов, а с помощью второго определяют зависимость длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, от напряжения на высоковольтном вводе диагностируемого оборудования.
Недостатком указанного способа является низкая достоверность результатов из-за применения усилителей, которые вносят искажение в измеряемый высокочастотный сигнал и потери информации о частотном спектре и длительности импульсов высокочастотных разрядов в связи с применением усредняющей RC-цепи и амплитудного модулятора, а так же из-за отсутствия возможности фиксации интенсивности возникновения отдельных частичных разрядов и отсутствия возможности определения вида разряда.
Все вышеперечисленные способы не пригодны для применения в условиях реальной эксплуатации для определения технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов. Заявителю не известны способы определения технического состояния цифровых трансформаторов по параметрам частичных разрядов в изоляции, обладающие высокой точностью и обеспечивающие достоверность результатов.
В основу изобретения положена задача разработки способа определения технического состояния цифровых трансформаторов, основанного на достоверных реальных измерениях расширенного числа признаков однозначно характеризующих вид и количественные характеристики импульсов частичных разрядов, свидетельствующих о развития дефектов внутри изоляции.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности функционирования цифровых трансформаторов за счет точности и своевременности выявления развития дефектов внутри изоляции по параметрам частичных разрядов.
Технический результат достигается тем что, в способе определения технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции, цифровой трансформатор, снабженный резистивным делителем напряжения, помещенным внутрь опорного изолятора, дополнительно оснащают индуктивным датчиком, который помещают внутрь опорного изолятора и подключают между электростатическим экраном и заземленными частями трансформатора; напряжение промышленной частоты регистрируют резистивным делителем напряжения, высокочастотный импульс напряжения от тока частичного разряда регистрируют индуктивным датчиком; зарегистрированные сигналы фильтруют, производят аналого-цифровое преобразование; для оцифрованных сигналов вычисляют фазу высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда относительно напряжения промышленной частоты, амплитуду и полярность высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда, количество высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов за период изменения напряжения промышленной частоты, кажущийся заряд, максимальное значение кажущегося заряда за время наблюдения, среднее значение кажущегося заряда за время наблюдения, средние ток и мощность частичных разрядов за период изменения напряжения промышленной частоты, энергию частичного разряда; производят нормализацию и преобразование Фурье высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов, вычисляют эффективное время и частоту указанных импульсов; производят построение время-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов, производят построение на одном графике амплитудно-фазо-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и периода изменения напряжения промышленной частоты, по которым отделяют шум и другие разрядные процессы от внутренних частичных разрядов и определяют диапазоны фаз возникновения частичных разрядов, производят построение зависимостей амплитуды кажущегося заряда и действующего значения напряжения промышленной частоты от времени, по которым определяют величину напряжения зажигания частичного разряда и величину кажущегося заряда, сравнивают величину кажущегося заряда за время наблюдения с пороговым значением, по результатам сравнения делают выводы о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведено устройство, реализующее способ определения технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции. На фиг. 2 приведено время-частотное распределение высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов. На фиг. 3 приведено амплитудно-фазо-частотное распределение высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и период изменения напряжения промышленной частоты. На фиг. 4 приведены зависимости амплитуды кажущегося заряда и действующего значения промышленной частоты от времени.
На фиг. 1 изображен цифровой трансформатор, включающий преобразователь тока 1, и снабженный резистивным делителем напряжения, содержащим резистивный элемент верхнего плеча 2 и резистивный элемент нижнего плеча 3, помещенные внутрь опорного изолятора 4. Цифровой трансформатор дополнительно оснащен индуктивным датчиком 5, который помещен внутрь опорного изолятора 4 и подключен между электростатическим экраном 6 первичной обмотки преобразователя тока 1 и заземленными частями трансформатора.
Резистивный элемент верхнего плеча 2 и резистивный элемент нижнего плеча 3 резистивного делителя напряжения подключены через фильтр низких частот 7 к аналого-цифровому преобразователю низкочастотного сигнала 8. Индуктивный датчик 5 соединен через фильтр высоких частот 9 с аналого-цифровым преобразователем высокочастотного сигнала 10. Выходы аналого-цифрового преобразователя низкочастотного сигнала 8 и аналого-цифрового преобразователя высокочастотного сигнала 10 подключены к контроллеру обработки цифрового сигнала 11, соединенного с блоком памяти 12, связанного через блок передачи данных 13, с внешней базой данных 14.
Способ определения технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции осуществляется следующим образом. Цифровой трансформатор, снабженный резистивным делителем напряжения, помещенным внутрь опорного изолятора 4, дополнительно оснащают индуктивным датчиком 5, который помещают внутрь опорного изолятора 4 и подключают между электростатическим экраном 6 и заземленными частями трансформатора.
В процессе работы цифрового трансформатора по первичной обмотке электромагнитного преобразователя тока 1 протекает ток нагрузки, при этом относительно заземленных частей к трансформатору приложено фазное напряжение промышленной частоты, которое после масштабного преобразования в резистивном элементе верхнего плеча 2 резистивного делителя напряжения регистрируют в резистивном элементе нижнего плеча 3 резистивного делителя напряжения. Зарегистрированный сигнал подвергают низкочастотной фильтрации в фильтре низких частот 7 для исключения высокочастотных помех и оцифровывают в аналого-цифровом преобразователе низкочастотного сигнала 8. Под воздействием высокого напряжения внутри изоляции, на границах раздела изоляционных материалов и вблизи проводящих частей (например, в изоляции первичной обмотки электромагнитного преобразователя тока, в изоляции вторичной обмотки электромагнитного преобразователя тока от первичной обмотки, в стеклотекстолитовой основе, во внешнем и в основном слоях изоляции) возможно возникновение разрядных процессов. При этом происходит падение напряжения в неоднородностях изоляции и перераспределение заряда между емкостью изоляции и параллельно подключенными к ней емкостями, что формирует высокочастотный ток в электрической цепи, регистрируемый в виде высокочастотного импульса напряжения индуктивным датчиком 5. Зарегистрированный сигнал подвергают высокочастотной фильтрации в фильтре высоких частот 9 для исключения помех и оцифровывают в аналого-цифровом преобразователе высокочастотного сигнала 10. В контроллере обработки цифрового сигнала 11 для оцифрованных сигналов вычисляют фазу высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда относительно напряжения промышленной частоты, амплитуду и полярность высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда, количество высокочастотных импульсов напряжения от тока частичного разряда за период изменения напряжения промышленной частоты, кажущийся заряд, максимальное значение кажущегося заряда за время наблюдения, среднее значение кажущегося заряда за время наблюдения, средние ток и мощность частичных разрядов за период изменения напряжения промышленной частоты, энергию частичного разряда. Так же в контроллере обработки цифрового сигнала 11 производят нормализацию и преобразование Фурье высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда, вычисляют эффективное время и частоту указанного импульса.
Преобразование Фурье цифрового сигнала производят после определения фазы его возникновения.
Нормализацию цифрового сигнала производят после определения его фазы по выражению:
где
s - i-ая выборка вектора значений сигнала;
N - количество выборок дискретного сигнала. Эквивалентное время рассчитывают по выражению:
где
- спектральная плотность мощности нормализованного сигнала;
i
N - значение i-го отсчета времени. Эквивалентную частоту рассчитывают по выражению
где
ni
i
s(f) - Фурье преобразование нормализованного высокочастотного сигнала;
i
f - i-oe значение частоты дискретного Фурье преобразования.
Полученные результаты вычислений сохраняют в блоке памяти блоком памяти 12 и через блок передачи данных 13 передают во внешнюю базу данных 14. Хранящуюся во внешней базе данных 14 информацию используют при построении время-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов (фиг. 2), при построении на одном графике амплитудно-фазо-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и периода изменения напряжения промышленной частоты (фиг. 3), при построении зависимостей амплитуды кажущегося заряда и действующего значения напряжения промышленной частоты от времени (фиг. 4), обеспечивающих получение более полного представления о происходящих высокочастотных процессах и возможность определения вида разряда. По графику время-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов (фиг. 2) выделяют области разрядов со схожими энергетическими характеристиками. По графику амплитудно-фазо-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и периода изменения напряжения промышленной частоты (фиг. 3) для выделенных областей отделяют шум и импульсы напряжения других разрядов от различного вида разрядных процессов (например, от коронного разряда). Определяют диапазон фаз возникновения высокочастотных импульсов напряжения, по которому определяют высокочастотные импульсы напряжения от внутренних частичных разрядов. По зависимостям амплитуды кажущегося заряда (сплошная линия на фиг. 4) и действующего значения напряжения промышленной частоты от времени (пунктирная линия на фиг. 4) определяют величину напряжения зажигания частичного разряда и величину кажущегося заряда. Сравнивают величину кажущегося заряда за время наблюдения с пороговым значением (штрих-пунктирная линия на фиг. 4), определенными опытным путем или, например, регламентируемыми ГОСТ 7746-2015 и ГОСТ 1983-2015, по результатам сравнения делают выводы о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять мониторинг разрядных процессов, определять их количественные и качественные характеристики, точно и своевременно выявлять развития дефектов внутри изоляции по параметрам частичных разрядов, предотвращать аварии, связанные с повреждением изоляции от частичных разрядов, обеспечивая повышение надежности функционирования цифровых трансформаторов.