СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
CONTROL METHOD OF TECHNICAL STATE OF ELECTRIC POWER EQUIPMENT

Изобретение относится к способам шумовой диагностики дефектности электроэнергетического оборудования (ЭЭО) и предназначено для создания промышленных информационно-измерительных комплексов встроенного контроля технического состояния такого оборудования.
Известно, что в процессе деградации динамических систем (физических, химических, биологических и пр.) интенсивности шумов в них возрастают на 60-80 dB при изменениях средних параметров систем на 20-30%. Поэтому шумовые методики диагностирования дефектностей различных систем эффективны, обладают исключительно высокой чувствительностью и непрерывно совершенствуются [1-6].
Известен способ контроля технического состояния ЭЭО [4], в котором полная дефектность диагностируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению этого оборудования. Способ базируется на измерении средней интенсивности электромагнитного излучения от диагностируемого ЭЭО, обязанного своим происхождением компоненту с равномерным спектром в шуме ионизации изоляции (включая лавинные шумы в масляной, целлюлозной, бумажной, фарфоровой, воздушной и прочей изоляции), возрастающему при деградации диагностируемого оборудования на 50-60 dB и фильтруемому колебательными цепями оборудования [7, 8].
Измерения в этом известном способе выполняют с помощью широкополосной приемной антенны произвольной поляризации, подключенной к входу специально изготовленного регистратора средней интенсивности потока электромагнитного излучения от контролируемого ЭЭО во всей рабочей полосе частот измерительной аппаратуры. Рекомендуемые в данном известном способе частоты измерений составляют f≥150-200 MHz.
По результатам измерений строят зависимость средней интенсивности потока излучения 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. Причем дефектность контролируемого ЭЭО устанавливают по динамике изменения указанных диагностических параметров при выполнении серий периодических измерений на временных интервалах, разделенных месяцами и годами эксплуатации этого оборудования.
Недостатками известного способа являются неудовлетворительные чувствительность, достоверность и глубина диагностирования дефектности, а следовательно, и низкая надежность определения технического состояния диагностируемого ЭЭО.
Указанные недостатки обусловлены следующими обстоятельствами.
1. Неудовлетворительная чувствительность - неудачным выбором частот измерений f≥150-200 MHz, лежащих, в основном, за пределами частотного диапазона наиболее интенсивных излучений ЭЭО, равного 10 MHz≤f≤200 MHz, и использованием для диагностирования излучений, связанных с компонентом шума ионизации изоляции с равномерным спектром, интенсивность которого ниже и возрастает при приближении к отказу оборудования на 10-20 dB слабее, чем интенсивность фликкерного компонента этого шума, поскольку причина образования фликкерного компонента шума кроется в ионизации примесей и дефектов изоляции, а образование компонента шума с равномерным спектром связано с ионизацией основного материала изоляции.
2. Неудовлетворительная достоверность - применением в известном способе нестандартной, специально изготовленной измерительной аппаратуры и громоздкой процедуры обработки результатов измерений.
3. Неудовлетворительная глубина диагностирования - поскольку в известном способе удается определять только полную дефектность ЭЭО, без определения дефектностей по проводам отдельных вводов напряжений.
Из сказанного следует, что известный способ контроля технического состояния ЭЭО [4] не обладает достаточными чувствительностью, достоверностью, глубиной и надежностью диагностирования дефектности.
Известен также способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования [5], в котором полную дефектность диагностируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют на основании предварительно полученных данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании.
Этот известный способ контроля технического состояния ЭЭО [5] является наиболее близким к заявляемому изобретению и принят за прототип.
Известный способ контроля технического состояния ЭЭО [5] (прототип) базируется на измерениях энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от вводов напряжений в этом оборудовании [7, 8] и обладает повышенными, в сравнении с известным способом-аналогом [4], достоверностью и глубиной диагностирования, поскольку в нем (в прототипе) измерения выполняются с помощью стандартной аппаратуры в диапазонах интенсивных излучений вводов, процедура обработки результатов измерений достаточно проста и заключение о полной дефектности контролируемого оборудования делают на основании предварительно определенных дефектностей по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании.
Однако известный способ-прототип [5] так же, как и способ-аналог [4], не обладает требуемой чувствительностью, а следовательно, не обладает и требуемой надежностью диагностирования технического состояния контролируемого ЭЭО, поскольку в нем, как и в известном способе-аналоге [3], для диагностирования дефектности используют излучения, связанные с компонентом шума ионизации изоляции с равномерным спектром.
Из сказанного следует, что известный способ-прототип [5], как и известный способ-аналог [4], не обладает требуемыми чувствительностью и надежностью диагностирования дефектности ЭЭО.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании способа контроля технического состояния ЭЭО, обладающего, в сравнении с прототипом и аналогами, повышенными чувствительностью и надежностью диагностирования дефектности.
Для решения поставленной задачи предлагается способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования, в котором полную дефектность диагностируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют на основании предварительно полученных данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании, отличающийся тем, что в нем (в отличие от прототипа и аналогов) дефектность по конкретному вводу напряжения в диагностируемом оборудовании определяют на основании сравнения измеренных в эквивалентных условий спектральных плотностей фликкерных компонентов шумовых токов в проводах контрольных ответвлений соответствующих вводов напряжений для однотипного диагностируемого и эталонного оборудования.
Заявляемые в предлагаемом изобретении ограничительные и отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной технической задачи - создание способа контроля технического состояния ЭЭО, обладающего, в сравнении с прототипом и аналогами, повышенными чувствительностью и надежностью диагностирования дефектности этого оборудования.
В заявляемом способе контроля технического состояния ЭЭО общим с прототипом [5] существенным признаком является то, что «…дефектность диагностируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют на основании предварительно полученных данных о дефектностях по отдельным вводам напряжений в этом оборудовании…».
Следовательно, в предлагаемом способе, как и в способе-прототипе, первоначально определяются дефектности по проводам отдельных вводов напряжений в ЭЭО, находящемся под напряжением, с тем, чтобы в дальнейшем учесть парциальные вклады этих дефектностей в полную дефектность диагностируемого оборудования.
Сравнительный анализ отличительных признаков заявляемого решения с признаками прототипа свидетельствует о достаточной новизне и неочевидности заявляемого решения.
Отличительный признак «…дефектность по конкретному вводу напряжения в диагностируемом оборудовании определяют на основании сравнения измеренных в эквивалентных условиях спектральных плотностей фликкерных компонентов шумовых токов в проводах контрольных ответвлений соответствующих вводов напряжений для однотипного диагностируемого и эталонного оборудования.» - предполагает:
1. Проверку наличия в диагностируемом ЭЭО проводов контрольных ответвлений от вводов напряжений, предназначенных для выполнения встроенной диагностики технического состояния этого оборудования, чего нет в прототипе. У отечественного и зарубежного ЭЭО контрольные ответвления от вводов напряжений имеются в большинстве практических случаев. В случае отсутствия указанных контрольных ответвлений у части вводов напряжений, например у низковольтных (НВ) вводов, в предлагаемом способе диагностируют дефектности только высоковольтных (ВВ) вводов и на их основе определяют полную дефектность контролируемого оборудования, а предприятию-изготовителю ЭЭО предлагают заказ на конструирование контрольных ответвлений для всех вводов напряжений во вновь создаваемом оборудовании с тем, чтобы в дальнейшем углубить диагностику и распространить ее на все вводы напряжений в данном оборудовании, чего так же нет в прототипе.
c
c
c
c
2. Измерения спектральных плотностей фликкерных компонентов шумовых токов ионизации изоляции (включая шумовые токи лавинной ионизации) в проводах контрольных ответвлений от отдельных вводов напряжений, выполняемые для однотипного диагностируемого и эталонного ЭЭО в одинаковых условиях эксплуатации и с применением единых метрических средств, например с применением известного устройства [9]. Рекомендуемый диапазон D(f) частот анализа f для измерения спектральных плотностей фликкерных компонентов шумовых токов выбирают таким образом, чтобы регулярные составляющие в спектрах указанных токов с частотами промышленной сети f=56 Hz и ее высшими гармониками 2f, 3f, 4f, и т.д. не создавали существенных помех измерениям, чего тоже нет в прототипе.
i
i
3. Проверку по результатам измерений в частотном диапазоне D(f) фликкерного характера энергетических спектров шумовых токов в проводах i-ых вводов напряжений ЭЭО (или, что то же самое, в проводах контрольных ответвлений от i-ых вводов напряжений)), соответствующего закону A/f (где A - коэффициент пропорциональности, характеризующий интенсивность фликкерного компонента токового шума в проводе i-го ввода напряжения, или в проводе контрольного ответвления от i-ого ввода напряжения, i=1, 2, …, - порядковый номер ввода), чего также нет в прототипе.
4. Формирование критериев и определение дефектностей по отдельным i-ым вводам напряжений (и полной дефектности диагностируемого оборудования) на основании сравнений спектральных плотностей фликкерных компонентов токовых шумов в проводах контрольных ответвлений от соответствующих i-ых вводов напряжений для диагностируемого и эталонного оборудования на средней частоте/* диапазона D(f), чего тоже нет в прототипе.
Благодаря использованию для диагностики дефектностей по вводам напряжений измеренных спектральных плотностей фликкерных компонентов шумовых токов в проводах контрольных ответвлений соответствующих вводов чувствительность заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭО будет, как минимум, на 10-20 dB выше, чем в способе-прототипе (соответственно возрастает и надежность диагностирования дефектности оборудования) ввиду следующих обстоятельств:
- интенсивность фликкерного компонента шумового тока в проводе контрольного ответвления от i-ого ввода напряжения (и в проводе i-ого ввода) на 10 dB и более превышает таковую у шумового компонента с равномерным спектром (эффект растет с понижением средней частоты f*);
- при приближении ЭЭО к отказу спектральная плотность фликкерного компонента шумового тока в проводе контрольного ответвления от i-ого ввода напряжения (и в проводе i-ого ввода) возрастает на 10-20 dB сильнее таковой для шумового компонента с равномерным спектром.
Из сказанного следует, что предложенная совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭО обеспечивает решение поставленной задачи и достижение желаемого технического результата. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа контроля технического состояния ЭЭО позволяет повысить чувствительность и надежность диагностирования дефектности этого оборудования.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря этой совокупности существенных признаков изобретение решило поставленную задачу.
Следовательно, заявляемое изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, так как оно не следует явным образом из известных технических решений.
Практическую реализацию предложенного способа контроля технического состояния ЭЭО рассмотрим на примере диагностирования дефектности ВВ силового автотрансформатора типа АОДЦТН 16700/500/220, широко применяемого на электростанциях России.
-1
i
c
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен внешний вид ВВ силового автотрансформатора с двумя ВВ вводами (вводы 1, 2), тремя НВ вводами (вводы 3, 4, 5) и встроенными НВ контрольными ответвлениями от вводов напряжений 1-5 (ответвления 1а, 2а, 3а, 4а, 5а); на фиг.2 - качественный вид энергетического спектра тока i-ого ввода напряжения (или тока в проводе контрольного ответвления от этого ввода) для рассматриваемого ВВ силового автотрансформатора Использованы следующие обозначения: f в Hz - частота анализа спектра;  в Hz - относительная спектральная плотность тока i-ого ввода напряжения (или тока в проводе контрольного ответвления от этого ввода); I в А - эффективное значение тока i-ого ввода напряжения (или тока в проводе контрольного ответвления от этого ввода) с частотой промышленной сети f=50 Hz.
При практической реализации предложенного способа контроля технического состояния ЭЭО необходимо соблюдать предложенную выше последовательность выполнения процедур и учесть следующие рекомендации.
На первом этапе уточняют наличие в диагностируемом автотрансформаторе контрольных ответвлений у всех вводов напряжений и при отсутствия таковых у конкретных вводов напряжений формируют заказ предприятию-изготовителю на конструирование контрольных ответвлений от всех вводов напряжений в этом оборудовании для реализации в полном объеме предложенного способа контроля технического состояния ЭЭО.
1
1
На втором этапе выбирают диапазон частот анализа для измерения энергетических спектров фликкерных компонентов шумовых токов в контрольных ответвлениях от i-ых вводов напряжений диагностируемого автотрансформатора. Для начала рекомендуется выбрать частотный диапазон D(f)≈0,01-1,00 MHz, расположенный на высокочастотном краю фликкерного участка спектра тока трансформатора (см. фиг.2) и аппаратное средство, позволяющее выполнить указанные шумовые измерения с максимально возможными чувствительностью и достоверностью, например устройство [9].
1
1
1
1
1
Статистическая погрешность β измерения спектральной плотности шумового тока  с помощью устройства [9] в диапазоне частот анализа D(f)≈0,01-1,00 MHz при полосе анализа Δf=10 кHz и времени усреднения τ=0,01 sec составляет
что вполне приемлемо при измерениях шумов.
1
1
i
1
i
1
1
1
1
1
На третьем этапе измеряют с помощью аппаратного средства [9] в номинальном режиме эксплуатации для всех диагностируемых образцов автотрансформаторов, находящихся под напряжением, и в выбранном диапазоне частот анализа D(f) энергетические спектры шумовых токов S(f) в имеющихся контрольных ответвлениях от i-ых вводов напряжений автотрансформаторов. Затем эти спектры аппроксимируют зависимостями вида A/f и, если результаты аппроксимации дают расхождение с экспериментом в пределах указанной выше погрешности β, то фликкерный характер спектров шумовых токов контрольных ответвлений от i-ых вводов напряжений (и спектров шумовых токов самих i-ых вводов) подтвержден, и фиксируют значения спектральных плотностей  для указанных шумовых токов контрольных ответвлений от i-ых вводов напряжений на средней частоте диапазона D(f) в логарифмическом масштабе, т.е. на частоте f*=0,7 MHz, где интенсивность фликкерного компонента шума на 10 dB выше, чем у компонента шума ионизации изоляции с равномерным спектром (см. фиг.2).
2
2
c
2
2
2
2
2
При неудовлетворительном результате аппроксимации процедуру повторяют для второго частотного диапазона D(f)≈0,1-10,0 Hz, расположенного на низкочастотном краю фликкерного участка энергетического спектра тока в непосредственной близости к регулярному компоненту с частотой промышленной сети f=50 Hz. При этом статистическая погрешность β измерения спектральной плотности шумового тока  с помощью устройства [9] в диапазоне частот анализа D(f)≈0,1-10,0 Hz при полосе анализа Δf=0,1 Hz и времени усреднения τ=6,0 min составит
2
2
2
2
2
что также приемлемо при измерениях шумов. Отметим, что в данном случае, после завершения процедуры подтверждения фликкерного характера спектров шумовых токов в частотном диапазоне D(f), фиксируют значения спектральных плотностей  для фликкерных компонентов шумовых токов контрольных ответвлений от i-ых вводов напряжений на средней частоте диапазона D(f) в логарифмическом масштабе, т.е. на частоте f*=1,0 Hz. При этом значение  на 50 dB выше, чем  (см. фиг.2), что способствует росту чувствительности и надежности диагностирования.
На четвертом этапе среди исследованных образцов ЭЭО выбирают эталонный по каждому i-ому контрольному ответвлению соответствующего ввода напряжения (или, что то же самое, эталонный по каждому i-ому вводу напряжения) с минимальным значением зафиксированной спектральной плотности фликкерного компонента шумового тока  или  и разрабатывают критерии для определения дефектностей по отдельным вводам напряжений (и полных дефектностей диагностируемых образцов оборудования) на основании сравнения спектральных плотностей фликкерных компонентов шумов в проводах контрольных ответвлений соответствующих i-ых вводов диагностируемых и эталонных образцов оборудования. Эти критерии формируют таким образом, чтобы с учетом имеющихся экспериментальных данных получить не менее трех-четырех различимых градаций полных дефектностей для однотипных образцов диагностируемого ЭЭО, например градаций: слабая, умеренная и сильная полные дефектности, или слабая, умеренная, сильная и опасная полные дефектности.
Критерии для определения дефектностей по отдельным вводам напряжений могут быть простыми и общими для различных видов ЭЭО, поскольку известно, что непосредственно перед отказом оборудования интенсивности фликкерных компонентов шумов возрастают на 70-80 dB:
Слабая дефектность - спектральная плотность фликкерного компонента шумового тока в контрольном ответвлении от i-ого ввода напряжения диагностируемого оборудования на выбранной частоте анализа превышает таковую в эталонном образце на величину до 20 dB.
Умеренная дефектность - спектральная плотность фликкерного компонента шумового тока в контрольном ответвлении от i-ого ввода напряжения диагностируемого оборудования на выбранной частоте анализа превышает таковую в эталонном образце на величину от 20 dB до 40 dB.
Сильная дефектность - спектральная плотность фликкерного компонента шумового тока в контрольном ответвлении от i-ого ввода напряжения диагностируемого оборудования на выбранной частоте анализа превышает таковую в эталонном образце на величину от 40 dB до 60 dB.
Опасная дефектность - спектральная плотность фликкерного компонента шумового тока в контрольном ответвлении от i-ого ввода напряжения диагностируемого оборудования на выбранной частоте анализа превышает таковую в эталонном образце на величину 60 dB и более. (3)
Критерии для определения полных дефектностей по предварительно определенным дефектностям отдельных вводов напряжений могут быть тоже достаточно простыми и общими для различных видов ЭЭО:
Слабая полная дефектность соответствует слабым дефектностям по всем продиагностированным вводам напряжений в оборудовании.
Умеренная полная дефектность соответствует умеренной дефектности хотя бы по одному из продиагностированных вводов напряжений в оборудовании при слабых и (или) умеренных дефектностях по остальным продиагностированным вводам.
Сильная полная дефектность соответствует сильной дефектности хотя бы по одному из продиагностированных вводов напряжений в оборудовании при слабых, и (или) умеренных, и (или) сильных дефектностях по остальным продиагностированным вводам.
Опасная полная дефектность соответствует опасной дефектности хотя бы по одному из продиагностированных вводов напряжений в оборудовании при слабых, и (или) умеренных, и (или) сильных, и (или) опасных дефектностях по остальным продиагностированным вводам. (4)
Благодаря сравнению с эталоном (эталонами), формируемые в заявляемом способе критерии для определения дефектностей отдельных вводов напряжений и полной дефектности ЭЭО, а также полученные с применением этих критериев выводы о дефектностях отдельных вводов напряжений и полной дефектности диагностируемого оборудования проявляют такую же слабую чувствительность к воздействию паразитных сторонних излучений, как и в способе-прототипе, т.е. достоинства прототипа сохранены и умножены в заявляемом способе контроля технического состояния ЭЭО.
Сказанное свидетельствует, что заявляемый способ контроля технического состояния ЭЭО обладает достаточной новизной, существенно увеличенной чувствительностью (по минимуму на 10-20 dB) и повышенной надежностью диагностирования в сравнении со способом-прототипом и другими известными способами-аналогами.
Пояснения к фиг.1
13
1 - высоковольтный ввод фазы линейного напряжения U;
23
2 - высоковольтный ввод фазы напряжения питания основного потребителя U;
13
23
3 - низковольтный ввод провода заземления, опорного для напряжений U, U;
45
4, 5 - низковольтные вводы напряжения питания местного потребителя U;
6 - заземленный металлический корпус;
1а, 2а, 3а, 4а, 5а, - низковольтные контрольные ответвления вводов 1, 2, 3, 4, 5.
Пояснения к фиг.2
-1
- относительная величина спектральной плотности тока i-ого ввода в Hz,
i
2
S - спектральная плотность тока i-ого ввода в A/Hz,
i
c
I- эффективное значение тока i-ого ввода с частотой промышленной сети f=50 Hz,
i=1, 2 … - порядковый номер ввода, f - частота анализа спектра в Hz
Источники информации
1. Ван дер Зил А. Шум (источники, описание, измерения). Пер. с англ. под ред. А.К.Нарышкина. М.: Сов. Радио, 1973.
2. Бржезинский А.А., Лосев В.Л., Ри Бак Сон. Неразрушающий контроль и диагностика устройств электроники по фликкер-шуму. Материалы школы-семинара ВНТОРЭС, Владивосток, ДВО АН СССР, 1990.
3. Бржезинский А.А., Лосев В.Л., Ри Бак Сон. Диагностика электронных и биологических систем по фликкер-шуму. Сборник трудов 10-ой сессии Российского Акустического общества, секция Шумы и вибрации, т.3. - М.: РАЕН, 2000, (с.131-134).
4. Глухов О.А. и др., Методика оценки параметров частичных разрядов в высоковольтной изоляции при относительных измерениях их импульсных электромагнитных полей. Труды 4-ого международного симпозиума по электромагнитной совместимости, С.-Петербург, 2001, (с.30-35).
5. Патент RU 2311652 C1, опубликован 27.11.2007 - прототип.
6. Klokov V., Losev V., Popovich A., Silin N. Diagnostics of power electric equipment according to its parasite electromagnetic radiation. Proc. of the 8-th Internat/ Symp. on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. S. Petersburg, June 16-19, 2009, (p.33-35).
7. Klokov V., Losev V., Popovich A., Silin N. Emitting model of the power electric equipment. Proc. of the 8-th Internat. Symp. on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. S. Petersburg, June 16-19, 2009, (p.36-38).
8. Dima M., Losev V. Generating electromagnetic fluctuations by electric condenser. Proc. of the 8-th Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. S., Petersburg, June 16-19, 2009, (p.39-40).
9. A.c. SU 1255954 A1, опубликовано 07.09.1986, Бюл. №33.