СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
CONTROL METHOD OF TECHNICAL STATE FOR HIGH VOLTAGE TRANSFORMER EQUIPMENT

Область техники. Изобретение относится к способам дистанционного контроля технического состояния (ТС) элементов электроэнергетического оборудования (ЭО) (например, силовых трансформаторов), находящихся под напряжением, и может быть использовано для создания диагностических информационно-измерительных комплексов.
Уровень техники. В управлении эксплуатацией ответственного электроэнергетического оборудования особую роль имеет ранняя диагностика (контроль технического состояния) высоковольтного электроэнергетического оборудования. При разработке таких технологий наибольшую ценность представляет ранняя диагностика оборудования в процессе эксплуатации, под рабочим напряжением, без отключений оборудования.
Одним из важных способов контроля технического состояния ЭО является мониторинг и интерпретация собственных электромагнитных излучений (ЭМИ) ЭО в процессе нормальной эксплуатации.
Известны способы использования собственных электромагнитных излучений ЭО, находящихся под рабочим напряжением, для контроля технического состояния ЭО. Анализ спектров собственных ЭМИ высоковольтного оборудования позволяет получить информацию, по которой определяется интенсивность разрядных процессов, происходящих в изоляции, элементах конструкций высоковольтного оборудования без вмешательства в технологический процесс. Связь между разрядными процессами (источниками электромагнитного излучения) и состоянием оборудования к настоящему времени изучена достаточно хорошо.
Так, известен способ контроля ТС электроэнергетического оборудования (патент RU №2311652 «Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования», МПК G01R 31/00 (2006.01)). Техническое состояние ЭО, находящегося под рабочим напряжением, определяют по ЭМИ этого оборудования, причем предполагается, что частоты излучений определяются антеннами, в качестве которых приняты наружные вертикальные части вводов ЭО, изолированные от заземленного металлического корпуса. Оценка ТС контролируемого ЭО производится в следующей последовательности:
- рассчитывают резонансные частоты излучений антенн;
- формируют информативные частотные полосы излучений, ассоциированные со значениями резонансных частот;
- заключения о ТС ЭО делают на основании сравнений интегральных мощностей ЭМИ контролируемого и эталонного оборудования в информативных частотных полосах.
Очевидным недостатком этого способа является противоречие в том, что собственные ЭМИ образуются внутри ЭО, а для расчета характерных резонансных частот приняты параметры наружных вертикальных частей.
Известен также способ контроля ТС элементов высоковольтного оборудования (патент RU №2368914 «Способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования», МПК G01R 31/302 (2006.01)). Предполагается анализ спектров собственных ЭМИ трансформаторного оборудования, который заключается в том, что:
вблизи элемента высоковольтного оборудования производятся предварительные экспериментальные исследования ЭМИ;
из зарегистрированных спектров ЭМИ выделяют фрагменты электромагнитного излучения, которое генерируется частичными разрядами во внутренней изоляции;
после этого численным анализом зафиксированных спектров электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, формируют совокупность количественных критериев, позволяющих судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах.
Анализ прототипа. Наиболее близким к заявляемому способу, прототипом является способ (патент RU №2368914 «Способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования», МПК G01R 31/302 (2006.01)).
Прототип имеет два недостатка. В рассматриваемом способе «из зарегистрированных ЭМИ выделяют частотные поддиапазоны спектра электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции».
Первый недостаток заключается в том, что в прототипе не указаны критерии, по которым из общего спектра зарегистрированных ЭМИ выделяются фрагменты, соответствующие частичным разрядам во внутренней изоляции. В то же время общая электромагнитная обстановка вблизи работающего высоковольтного трансформатора отличается высоким уровнем помех, принадлежащих как внешнему техногенному фону, так и расположенным в непосредственной близости другим трансформаторам, шинам, выключателям и прочему оборудованию подстанции. Для использования собственных электромагнитных излучений в качестве признаков технического состояния элементов оборудования требуется отделение полезных сигналов от внешних помех. Без четких критериев отделения полезных сигналов от помех способ контроля, описанный в прототипе, вообще не может быть практически реализован либо привести к ошибкам в оценке ТС.
Второй недостаток состоит в том, что если на основе неких четких критериев будут назначены узкие информативные поддиапазоны (фрагменты общего спектра), соответствующие частичным разрядам во внутренней изоляции, то необходимость исследования всего спектра целиком пропадает; достаточно в процессе мониторинга ЭМИ соответствующим программированием процесса сосредоточить все технические возможности измерительной аппаратуры на измерениях в выделенных поддиапазонах. При этом появляется возможность повысить точность получаемой информации (за счет дополнительных измерений в частотной либо во временной области).
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении достоверности и надежности определения технического состояния высоковольтного трансформаторного оборудования в целом и диагностики дефектов в изоляции и в отдельных элементах конструкции.
Сущность изобретения. Рассмотрим электромагнитные излучения, соответствующие частичным разрядам. Трансформатор является сложной электрической цепью высокой добротности, его частотная характеристика имеет много резонансных (собственных) частот. Частотные характеристики внутренних резонансных колебательных систем определяются размерами и конфигурацией конструктивных элементов трансформатора, причем информационные частотные диапазоны определяются индивидуально для каждого элемента оборудования. Энергия частичных разрядов возбуждает в трансформаторе собственные высокочастотные электромагнитные колебания и излучает их в частотных диапазонах, соответствующих собственным частотам.
Таким образом, спектры электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, соответствуют спектральным линиям - собственным частотам элемента оборудования. Однако не все из спектральных линий электромагнитных колебаний, возникших внутри трансформатора, могут быть эффективно обнаружены в его внешнем электромагнитном излучении. Некоторые из возникших колебаний не проявятся снаружи трансформатора за счет поглощения в конструкциях выводов из трансформатора. Другие не смогут быть обнаружены на фоне внешних помех, имеющих высокий уровень. Наконец, третьи могут оказаться за пределами измерений приборов регистрации ЭМИ.
Итак, для того чтобы можно было использовать способ, описанный в прототипе, необходимо заранее определить множество собственных частот оборудования. Если в зарегистрированных ЭМИ найдутся частотные поддиапазоны вблизи собственных частот ЭО, в которых обнаруживается явно выраженный (по сравнению с шумами) сигнал, то такие поддиапазоны можно считать информативными. В дальнейшем количественные критерии о техническом состоянии ЭО формируются на основе численных значений амплитуд спектров в информативных поддиапазонах.
Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого способа, заключается в повышении точности получаемой информации за счет дополнительных измерений в частотной либо во временной области, определения местонахождения и степени развития дефектов за счет обеспечения селекции сигналов и помехоустойчивости, в конечном итоге - повышение объективности определения технического состояния высоковольтного трансформаторного оборудования во время его эксплуатации в рабочих режимах.
Осуществление изобретения. Для реализации способа используют комплект оборудования, включающий известные средства бесконтактной регистрации электромагнитного излучения, в качестве которых могут быть использованы известные комплекты современной высокочувствительной измерительной аппаратуры, включающей анализаторы спектра, широкополосные приемники, осциллографы. Чувствительность современной измерительной аппаратуры позволяет надежно регистрировать сигналы ЭМИ в диапазоне от единиц кГц до единиц МГц. Эти средства измерений могут быть подключены к ЭВМ, что обеспечивает оперативный анализ измерительной информации и выдачу управляющих решений в соответствии с совокупностью количественных критериев.
Множество собственных частот ЭО определяется расчетным или экспериментальным образом. При расчетах используются известные программы расчета электрических цепей и электромагнитных полей. Экспериментальное определение собственных частот ЭО возможно на заводе-изготовителе.
Реализация способа. Приведем пример реализации способа контроля с использованием картины спектра, полученной в одном из реальных экспериментов на подстанциях Сибири и Дальнего Востока России (чертеж, вверху).
1
2
6
1. На предварительном этапе расчетным или экспериментальным образом определяется множество собственных частот данного типа ЭО (в приводимом примере принято, что это множество состоит из 6 частот {f,f, … f}, эти частоты обозначены на чертеже, внизу).
2. С использованием перечисленной выше измерительной аппаратуры предварительно оценивают вид спектров ЭМИ вблизи высоковольтного оборудования на территории подстанции в высокочастотном диапазоне. Измерения производятся в течение времени, достаточного для получения устойчивого спектра (например, как изображено на чертеже, вверху), после чего спектр ЭМИ регистрируется.
3. Производится построение информативных поддиапазонов спектра. Так, на примере чертежа, сопоставляя значения собственных частот и вид реального спектра, можно сделать следующие заключения.
1
- ЭМИ вблизи собственной частоты f довольно ясно отображаются на общем спектре;
2
- частоте f соответствует одна из спектральных линий реального спектра;
3
- собственные ЭМИ элемента оборудования на частоте f не могут быть выделены среди мощных внешних сигналов;
4
6
- на собственных частотах f и f сигналы хорошо видны;
5
- на частоте f виден небольшой сигнал, но он мал и на него можно не обращать внимания.
1
2
4
6
Таким образом, информативные поддиапазоны в данном примере можно построить на основе 4-х собственных частот f, f, f и f. Суммируя данные о погрешностях измерительных приборов и ошибках численных расчетов (а также, быть может, введя коэффициент запаса К>1), зададимся величиной полосы пропускания - интервалом частот А. Полосы пропускания всех поддиапазонов можно принять равными между собой, и окончательно для данного примера получим частотные интервалы информативных поддиапазонов:
f1
1
f2
2
f4
4
f6
6
Δ=[f±Δ/2], Δ=[f±Δ/2], Δ=[f±Δ/2], Δ=[f±Δ/2].
f1
f2
f4
f6
4. В процессе мониторинга производится запись ЭМИ в информативных поддиапазонах Δ, Δ, Δ, Δ.
5. На основе полученных значений спектров собственного ЭМИ в информативных поддиапазонах определяют численные значения критериев, по величине которых в дальнейшем делают выводы об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных узлах. При этом в совокупность количественных критериев включают максимальные, минимальные и/или средние значения амплитуд сигналов, как на отдельных частотах, так и в определенном диапазоне, и/или их среднеквадратичные отклонения, и/или значения энергии спектра, и/или функции этих величин. Эти величины по отдельности и в различных сочетаниях являются критериями оценки состояния высоковольтного оборудования.