Амплитудно-частотные характеристики частичных разрядов во вводах силовых трансформаторов и вопросы метрологии

УДК 621.3.048.1

А.М. Седунин1, И.А. Чалов1, Л.Г. Сидельников2

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2«ТестСервис», Пермь, Россия

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ ВО ВВОДАХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ

Рассматриваются вопросы локализации частичных разрядов во вводах трансформаторов. Приводятся основные методические и метрологические сложности, ограничивающие возможность нормирования частичных разрядов в изоляции электрооборудовании и эффективность диагностики данным методом. Анализируются характеристики импульсов частичных разрядов, зарегистрированных во вводах трансформаторов и кабельных линиях. Приводятся частотные спектры импульсов и экспериментальные зависимости характеристик импульса от места дефекта. Демонстрируется затухание импульса в кабельной линии по амплитуде и частоте. Сравнивается форма импульса частичного разряда во вводе и в кабельной линии.

Ключевые слова: силовые трансформаторы, высоковольтные вводы, частичные разряды, спектры импульсов, затухание импульса.

A.M. Sedunin1, I.A. Chalov1, L.G. Sidelnikov2

State National Research Polytechnical University of Perm, 2TestService LTD, Perm, Russia

FREQUENCE-AMPLITUDE CHARACTERISTICS OF PARTIAL DISCHARGES IN HIGH VOLTAGE BUSHINGS OF POWER TRANCEFORMERS AND METROLOGICAL PROBLEMS

The problem of localization of partial discharges in the bushings of the transformers is reviewed. The main methodological and metrological difficulties of the diagnostics of insulating constructions with the help of partial discharges registration are given. Frequency spectrums of impulses and experimental dependence of impulse characteristics on the place of defect are shown. The frequency and amplitude attenuation of impulse in a power cable is demonstrated. The forms of impulse in the bushing and in the power cable are compared.

Keywords: power transformers, high voltage bushings, partial discharges, the impulse spec-trums, the impulse attenuation.

Введение

На сегодняшний день одной из проблем электроэнергетики является выход из строя высоковольтных вводов трансформаторов. Одним

из наиболее перспективных методов диагностики состояния изоляции вводов является измерение частичных разрядов (ЧР) [1, 2].

Серьезным вопросом диагностики вводов по характеристикам ЧР является различие разрядов во вводе и внутри трансформатора. Сотрудники ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» разделяют разряды во вводе и внутри трансформатора по крутизне фронта импульса - разряды во вводе имеют более крутой фронт. Можно предположить, что эта разница определяется затуханием импульса при различной удаленности дефекта от точки измерения.

Данное предположение решено было проверить на примере кабельной линии. В этом случае из-за большой длины наиболее наглядно можно выявить затухание импульса. При этом для оценки частотных свойств импульса применялось его разложение в спектр. Разложение в ряд Фурье справедливо только при условии линейности и стационарности системы, однако это позволяет сделать определенные выводы о характере изучаемых явлений.

1. Метрологические сложности, связанные с измерением ЧР

Первоначально ЧР было предложено нормировать по величине кажущегося заряда. Фактически эта величина наиболее просто определяется при измерении. Однако сегодня многие справедливо считают, что для объективной оценки одного этого параметра недостаточно [3, 4]. Для нормирования необходимо знать энергию разряда - именно она характеризует интенсивность разрушения изоляции.

Нужно учитывать, что при разряде выделяется энергия разных видов: электрическая, электромагнитное излучение, механическая, тепловая и т.д. [2]. При этом важно знать, какую долю общей энергии разряда содержит энергия каждого вида. Очевидно, что наиболее рационально измерять энергию того вида, доля которой в энергии разряда максимальна.

Само измерение ЧР электрическим методом подразумевает определенные метрологические сложности. Фактически измерительные устройства измеряют мгновенные значения кажущегося заряда ^. Однако сам заряд характеризуется интегралом от дг-:

б = I Ч,

где Чг = ¡1  At.

Поскольку интегрирование производится программным путем численными методами, необходимо знать приращение аргумента - Дt. Причем эта величина должна быть нормирована и иметь одинаковое значение для устройств разных производителей. В противном случае результаты, полученные при помощи различных устройств, будут несопоставимы между собой. Это важно и при рассмотрении вопросов поверки и нормирования калибраторов. Например, для установки OWTS фирмы БЕБЛ КМТ значение этой величины (Д^ равно 108 с.

2. Анализ формы импульсов ЧР

В данной статье рассматривается анализ импульсов ЧР в кабельных линиях и в высоковольтных вводах трансформаторов. Основной характеристикой затухания по частоте при анализе импульсов ЧР являлась полоса частот.

Анализ разрядов в кабелях основан на опыте обследования кабельных линий аппаратурой OWTS в ООО «ТестСервис». Анализ проводился методом ограниченной выборки, поэтому по его результатам можно сделать только качественные выводы о характере полученных зависимостей.

В кабельной линии локализация дефекта производится по разности во времени регистрации прямого и отраженного импульса. В процессе анализа выполнялось построение частотных спектров прямого и отраженного (обратного) импульса. Внешний вид прямого и отраженного импульсов и их спектров показан на рис. 1. Полоса частот регистрируемых импульсов до 10-15 МГц. Замечено, что отрицательная полуволна импульса имеет меньшую амплитуду, чем положительная, однако продолжительность отрицательной полуволны и ее площадь больше, чем положительной.

В процессе анализа оценивались следующие характеристики импульсов: амплитуда положительной полуволны, длительность импульса, ширина частотного диапазона импульса. Рассматривались зависимости указанных характеристик от расстояния до места дефекта и различия характеристик между прямым и отраженным импульсом. Крутизна фронта импульса не была оценена, но очевидно, что прямой импульс обладает более крутым фронтом. Для оценки затухания в работе использовались импульсы, зарегистрированные в 3 фазах одной и той же кабельной линии длиной 759 метров.

Рис. 1. Импульсы ЧР в кабельной линии и их амплитудно-частотные характеристики

Указанные характеристики импульсов непосредственно зависят от расстояния, пройденного импульсом, которое, в свою очередь, зависит от растояния до места дефекта. Поэтому при анализе рассматривались характеристики прямых и отраженных от противоположного конца линии импульсов.

Анализ разрядов во вводах основан на результатах обследования трансформаторов на предмет ЧР при помощи цифрового осциллографа, предоставленных ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС». ЧР во вводах не имеют прямого и отраженного импульсов, поскольку место разряда находится на незначительном расстоянии от точки измерения. Внешний вид импульса ЧР во вводе и его спектр представлены на рис. 2.

Установлено, что полоса частот отраженного импульса всегда уже полосы частот прямого импульса (см. рис. 1). Из рис. 3 видно, что с удалением места дефекта от точки измерения разность полос частот прямого и отраженного импульса уменьшается. При максимальном удалении дефекта от точки измерения прямой и отраженный импульсы имеют одинаковый спектр и накладываются друг на друга. При этом локализация дефекта по разности прихода импульсов на измерительное устройство делается невозможной.

С увеличением расстояния, пройденного импульсом, полоса частот импульса сужается со стороны высоких частот - имеет место затухание импульса по частоте (рис. 4). При минимальном расстоянии,

пройденном импульсом, имеет место максимальная ширина диапазона частот импульса. При этом ширина полосы частот импульса ЧР во вводе должна быть максимальна, что соответствует минимальному затуханию и подтверждается рис. 4. Вероятно, поэтому импульсы во вводе имеют более крутой фронт.

Рис. 2. Импульс ЧР во вводе и его амплитудно-частотная характеристика

Рис. 3. Затухание отраженного импульса по частоте

Расстояние, пройденное импульсом,м

Рис. 4. Зависимость полосы частот импульсов от пути их следования

Также имеет место затухание импульса по амплитуде. Причем амплитуда положительной полуволны прямого импульса во всех случаях больше, чем у отраженного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Затухание отраженного импульса по амплитуде

Длительность импульса также зависит от пройденного им расстояния (рис. 6). Причем длительность отраженного импульса, как правило, выше, чем у прямого импульса. При увеличении расстояния, пройденного импульсом, увеличивается его длительность. Это соответствует увеличению периода импульса и уменьшению основной частоты спектра (частота максимума спектра). Эта частота имеет меньшее значение у отраженного

импульса (см. рис. 1). Другими словами, скорость распространения импульса уменьшается при затухании. При работе с аппаратурой OWTS берется средняя величина скорости и принимается за константу. Этим объясняется погрешность в локализации дефекта в кабельной линии.

100 -I-

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Расстояние, пройденное импульсом, АЛ

Рис. 6. Зависимость длительности двух полуволн импульса от пути его следования

Сравнение формы импульсов ЧР во вводах и в концевых кабельных муфтах и их спектров показало существенное сходство между ними (рис 7, 8). На рис. 7, 8 сплошной линией показан импульс ЧР во вводе, штриховой линией - импульс ЧР в концевой кабельной муфте. Для удобства сопоставления формы импульсов различной амплитуды масштаб по амплитуде выбирался автоматически для каждого из импульсов. Сходство между разрядами во вводах и в кабельных муфтах объясняется сходством конструкции их изоляции.

По результатам анализа можно сделать следующие выводы:

• в кабельных линиях наблюдается затухание импульса по амплитуде и частоте;

• величина затухания импульса зависит от пройденного им расстояния;

• при увеличении пройденного импульсом расстояния увеличивается длительность импульса, а частота основной гармоники спектра уменьшается;

• отрицательная полуволна импульса ЧР по длительности и площади больше положительной;

• импульсы ЧР во вводах и в концевых кабельных муфтах и их частотные характеристики схожи между собой;

• для импульсов ЧР во вводах трансформаторов и в концевых кабельных муфтах характерно минимальное затухание - они имеют максимальную верхнюю границу полосы частот, максимальную частоту основной гармоники и наиболее крутой фронт.

Рис. 7. Форма импульсов ЧР во вводе и в концевой кабельной муфте и их спектры

Рис. 8. Форма импульсов ЧР во вводе и в концевой кабельной муфте и их спектры

Для количественной оценки указанных явлений требуется статистическая обработка большого количества экспериментальных данных. Учет перечисленных выше явлений может способствовать повышению эффективности метода измерения ЧР и точности локализации места дефекта во вводах трансформаторов и в кабельных линиях.

Библиографический список

1. Диагностические признаки для отбраковки вводов высокого напряжения с бумажно-масляной изоляцией / М. А. Аникеева, Р.С. Арбузов, С.В. Живодерников, Е.А. Лазарева, А.Г. Овсянников, М.А. Панов [и др.] // ЭЛЕКТРО. - 2009. - № 1.

2. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.

3. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. - Новосибирск: Наука, 2007. - 155 с.

4. Ермаков Е.Г., Монастырский А.Е. О проблемах применения электрического метода регистрации частичных разрядов для диагностики высоковольтных силовых трансформаторов // Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт, продление срока службы: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию Виктора Соколова / под ред. А.Г. Овсянникова, В.Н. Осотова. - Екатеринбург: Автограф, 2010. - 232 с.

References

1. Diagnostycal signs for rejection of high voltage bushings with oil impregnated paper insulation/ M.A. Anikeeva, R.S. Arbuzov, S.V. Zhivod-ernikov, E.A. Lazareva, A.G. Ovsjannikov, M.A. Panov and others // Electro. - 2009. - № 1.

2. Svi P.M. Methods and means of diagnostics of the high voltage equipment. - M.: Energoatomizdat, 1992. - 240 p.

3. Vdoviko V.P. Partial discharges in diagnostics of high voltage equipment. - Novosibirsk: Nauka, 2007. - 155 p.

4. Ermakov E.G., Monastirskiy A.E. The problems of applying the electrical method of partial discharges registration for high voltage power transformers diagnostics // Transformers: exploitation, diagnostics, repair and prolongation of the operating period: texts of the international scientific conference. - Ekaterinburg: Avtograf, 2010. - 232 p.

Об авторах

Седунин Алексей Михайлович (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: eagp@pstu.ru).

Чалов Игорь Алексеевич (Пермь, Россия) - аспирант кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: igorchalov@mail.ru).

Сидельников Леонид Григорьевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ОАО «Тест-Сервис» (614025, г. Пермь, ул. Героев Хасана, д. 50, e-mail: lgs_test@eservice.perm.ru).

About the authors

Sedunin Alexey Mihailovich (Perm, Russia) - Candidate of Technical Science, Associate Professor, Acting Head of the Department, State National Research Polytechnical University of Perm, the Department of Electrification and Automation of Mining Industries (614990, Perm, Komsomol-sky Av. 29, e-mail: eagp@pstu.ru).

Chalov Igor Alekseevich (Perm, Russia) - postgraduate student, State National Research Polytechnical University of Perm, the Department of Electrification and Automation of Mining Industries (614990, Perm, Komsomolsky Av. 29, e-mail: igorchalov@mail.ru).

Sidelnikov Leonid Grigorievich (Perm, Russia) - Candidate of Technical Science, Associate Professor, General Director, TestService LTD (614025, Perm, Geroev Hasana str. 50, e-mail: lgs_test@eservice.perm.ru).

Получено 09.09.2011