СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD OF HIGH-VOLTAGE EQUIPMENT TECHNICAL CONDITION MONITORING

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.
В управлении эксплуатацией ответственного электроэнергетического оборудования особую роль имеет ранняя диагностика, а именно 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.
Известен способ контроля ТС электроэнергетического оборудования (патент RU №2368914, МПК G01R 31/302, бюл. №27, 2009), где предполагается анализ спектров собственных ЭМИ трансформаторного оборудования, заключающийся в следующем.
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 чего численным анализом зафиксированных спектров электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами (ЧР) во внутренней изоляции формируют совокупность количественных критериев, позволяющих судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах.
Известен также «Способ контроля технического состояния высоковольтного трансформаторного оборудования» (патент RU №2511038, МПК G01R 31/302, бюл. №10, 2014). Осуществляют регистрацию и анализ спектров собственного электромагнитного излучения (ЭМИ) ЭО, при котором производят мониторинг спектров ЭМИ. На основе зарегистрированной информации формируют совокупность численных значений количественных критериев, позволяющих судить об уровне технического состояния ЭО. Регистрацию спектров производят в узких информативных частотных поддиапазонах. В качестве узких информативных частотных поддиапазонов назначают ближайшие окрестности собственных частот ЭО, а собственные частоты ЭО предварительно определяют экспериментальным или расчетным путем. Техническое состояние ЭО, находящегося под рабочим напряжением, определяют по ЭМИ этого оборудования, при этом необходимо заранее определить множество информативных частот ЭМИ оборудования. Заключения о ТС ЭО делают на основании сравнений интегральных мощностей ЭМИ контролируемого и эталонного оборудования в информативных частотных полосах.
Известен способ контроля состояния высоковольтного оборудования (Вдовико В.П., Овсянников А.Г., Энергетик, 1995, №10, с. 16-18), предусматривающий использование электрических датчиков, которые обычно подключаются к измерительным выводам высоковольтных вводов или к высокочастотным трансформаторам тока, надетым на провода заземления. С помощью электрических датчиков определяют основные характеристики частичных разрядов (ЧР) во внутренней изоляции. Как известно, интенсивность частичных разрядов количественно характеризуется кажущимся зарядом единичного частичного разряда; частотой следования частичных разрядов, средним током частичных разрядов (ГОСТ 20074 - 83. Метод измерения характеристик частичных разрядов).
Известен способ контроля состояния высоковольтного оборудования (Глухов О.А. и др. Методика оценки параметров частичных разрядов в высоковольтной изоляции при относительных измерениях их импульсных электромагнитных полей. Труды 4 межд. симп. по ЭМС, С.-Петербург, 2001, с. 30-35; Глухов О.А. и др. Применение аппарата статистической радиотехники при измерении электромагнитного излучения случайных микроразрядов. Вестник МарГТУ, Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2007, №1, с. 86-89 и др.), выбранный в качестве прототипа, который включает регистрацию и анализ его собственного электромагнитного излучения (ЭМИ). Способ предусматривает использование антенн и специально изготовленных регистраторов интенсивности частичных разрядов, которые позволяют контролировать среднюю интенсивность потока (среднее количество возникновения) импульсных сигналов от частичных разрядов во внутренней изоляции от порога обнаружения и представляют собой пиковые детекторы с широкополосным входом. По результатам измерений строят зависимость интенсивности потока частичных разрядов от порога обнаружения и в качестве диагностических параметров используют:
- крутизну наклона отрезков аппроксимирующих прямых этой зависимости;
- количество интервалов, необходимых для этой аппроксимации;
- количественные значения координат точек перегиба.
Отметим, что в аналогах используется кажущийся заряд единичного частичного разряда, а в прототипе регистрируется средняя интенсивность потока ЧР, импульсных сигналов от частичных разрядов.
Все вышеперечисленные известные технические решения имеют принципиальный недостаток.
Традиционно применяемая элементарная теория частичных разрядов (ЧР) основана на молчаливом предположении, что в изоляции имеется единственный дефект (инородное включение), и интегральная картина множества частичных разрядов рассматривается как множество единичных независимых ЧР. В противоположность этому интегральная картина ЧР на самом деле является суперпозицией серий (последовательностей) ЧР, ассоциированных с отдельными дефектами (включениями в изоляции). При этом в каждой серии ЧР присутствуют элементы случайности, детерминированности и неопределенности исходной информации.
Самым главным вопросом является вопрос о количестве реальных дефектов в изоляции и об опасности каждого из них. Так задача анализа ЧР до сих пор специально не ставилась, ответа на него теория пока не дала, и ни аналоги, ни прототип этой задачи не решают.
Задача заявляемого изобретения заключается в повышении достоверности и надежности определения технического состояния высоковольтного оборудования в целом и диагностики отдельных дефектов в изоляции и в отдельных элементах конструкции оборудования; предлагаемый способ продвигает проблему анализа интегральной картины ЧР именно в этом направлении.
Поставленная задача достигается тем, что способ контроля состояния высоковольтного оборудования, включающий регистрацию и анализ интегральной картины ЧР, заключается в следующем.
С помощью датчиков электрического или электромагнитного поля производят регистрацию интегральной картины ЧР в элементе высоковольтного оборудования в течение не менее одного периода рабочего напряжения с точностью, обеспечивающей распознавание отдельных ЧР. На интегральной картине ЧР фиксируется полное множество моментов времени ЧР . Решается задача декомпозиции интегрального спектра: из полного множества  с помощью численного анализа выделяются подмножества моментов времени ЧР , в совокупности покрывающие все множество , удовлетворяющие каждое по отдельности гипотезе об ассоциировании их отдельным потенциальным дефектам, параметры которых фиксируются. Затем на основе количественных критериев, учитывающих количество и параметры потенциальных дефектов, дается оценка общего технического состояния высоковольтного оборудования и/или наличия дефектов в отдельных его узлах
Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого способа, заключается в повышении точности определения местонахождения и степени развития дефектов за счет обеспечения селекции сигналов, ассоциированных с отдельными дефектами, и в конечном итоге - повышении объективности определения технического состояния высоковольтного оборудования во время его эксплуатации в рабочих режимах.
Перечень графических фигур
k
пр
На фиг. 1 показан вид реального напряжения на включении u(t) как релаксационного процесса, тока ЧР ik(t) и принужденного напряжения на включении u(t).
На фиг. 2 иллюстрируется пример осуществления способа:
а) картина спектра - множество , содержащее 40 ЧР, распределенных на периоде рабочего напряжения,
б), в), г), д) - множества , , , , соответствующие дефектам с номерами 1, 2, 3, 4 соответственно.
Сущность изобретения.
Рассмотрим подробно процесс частичных разрядов (ЧР) как квазидетерминированный процесс.
1. Произведем теоретическое обоснование, основанное на научных знаниях. Процесс ЧР в изоляции высоковольтного оборудования (ВВО) зависит от целого ряда электрофизических параметров изоляции, конфигурации электрического поля и потенциальных дефектов. Обратимся к формальному построению процесса ЧР на периоде рабочего напряжения, учитывая поставленную задачу (N.V. Kinsht, N.N. Petrunko, Some Possibility of Constructing of the PD Processes Quasi-Deterministic Model. International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis 2014 (CMD2014), September 21-25, 2014, Jeju, Korea).
k
k
k
Пусть имеется множество включений , в каждом из которых происходит серия ЧР. Процесс ЧР в произвольном включении с номером k=(1, …, N) и геометрическими координатами (х, y, z) объективно связан со следующими параметрами:
k
- характерный размер включения d;
- форма включения (например, сферическая);
m
k
k
k
- геометрическое расположение включения характеризуется «энергетической» координатой, ассоциированной с максимальной напряженностью рабочего электрического поля в данной точке активного пространства Е (х, у, z);
- рабочая напряженность внешнего электрического поля в данной точке изменяется по синусоидальному закону:
k
k
k
k
m
k
k
k
e(x, y, z, t)=E(x, y, z)sinωt;
ех
in
in
ех
- теоретическая (при отсутствии ЧР) напряженность электрического поля внутри включения определится по соотношениям ε и ε (ε и ε - диэлектрические проницаемости газовой среды включения и диэлектрика)
k
ε
m
k
k
k
mk
e(ωt)=kE(x, y, z)sinωt=Esinωt;
- принужденное напряжение на включении k получится в виде:
прk
k
k
k
mk
mk
u(ωt)=de(ωt)=dEsin(ωt)=Usin(ωt);
- напряжение зажигания ЧР определится по закону Пашена либо на основе справочных данных:
зk
зk
k
U=U(d);
1
d
- напряжение погасания разряда зависит от поляризационных параметров R, С, и параметра разряда R (Кац М.А., Киншт Н.В. К анализу переходного процесса в несовершенном диэлектрике с нелинейной неоднородностью // Электричество, 2006. №11. С. 65-68):
пk
пk
1
d
U=UR/R.
Таким образом, с каждым включением однозначно ассоциировано множество энергетических параметров включения . В этой тройке параметров воедино связаны геометрические координаты включения, картина рабочего электрического поля в данной точке активной области трансформатора, характерный размер включения и его форма, диэлектрические свойства основной изоляции и включения, закон Пашена, поляризационные параметры изоляции, а также свойства вольтамперной характеристики частичного разряда.
k
kпр
k
k
0k
На каждом k-м включении в результате релаксационного процесса зажигания и погасания ЧР реализуется напряжение u(ωt); если принужденное напряжение на k-м включении u имеет периодический синусоидальный характер, то относительно реального напряжения u(t) нет гарантии, что оно вообще периодическое, однако его вполне можно считать квазипериодическим. Напряжение u(t) зависит как от энергетических параметров включения , так и от начальных условий U:
k
0k
Каждая функция реального напряжения на включении u (ωt) на интервале наблюдения [0, T] представляет собой релаксационный процесс заряда изоляции (и быстрого разряда) в окрестности включения (фиг. 1). Если U - начальное значение напряжения на k-м включении и отсчет времени начинается с началом положительного полупериода, то это напряжение продолжает изменение по закону:
k
прk
0k
u(t)=u(t)+U
1зk
зk
1пk
k
пk
вплоть до момента t достижения величины U (напряжения зажигания ЧР), когда произойдет пробой. Ток ЧР затухает по экспоненциальному закону до момента времени t, пока u(t)≥U, и прекращается в момент достижения равенства.
Далее, введя для удобства функцию знака s(f)=sign[cos(ωt)], по индукции, можно записать общие формулы для напряжения на включении:
j
и момент времени t определится из соотношения:
Функция тока горения j-го ЧР запишется в виде:
зk
Здесь I - ток зажигания ЧР,
(t) - функция единичного скачка.
Серия токов ЧР k-то включения задается последовательностью импульсов тока ЧР :
Итак, имеем логическую цепочку аналитических взаимосвязей:
Можно сформулировать принцип: энергетические координаты k-го дефекта совместно с начальными условиями однозначно определяют наблюдаемое множество моментов ЧР,
s
Множество моментов времени  (j=1, …, n), удовлетворяющее принципу (1), назовем правильным ЧР - множеством. Результатом регистрации интегральной картины ЧР является сумма импульсов токов ЧР, заданная на множестве моментов времени :
2. Формулировка задачи интерпретации интегральной картины ЧР.
Основным вопросом интерпретации интегральной картины ЧР является вопрос о количестве реальных дефектов в изоляции и об опасности каждого из них. В содержательной формулировке задача интерпретации картины ЧР состоит в правдоподобной оценке всех потенциально возможных дефектов на основе генерируемых ими серий ЧР, которые могли бы проявиться в исследуемой интегральной картине ЧР и, наконец, оценке потенциальной опасности отдельных дефектов. Задача анализа ЧР в математической формулировке состоит в отыскании правильных ЧР - множеств, покрывающих множество всех моментов ЧР.
k
k
Σ
Таким образом, наблюдаемая картина ЧР формируется суммарным количеством импульсов  на правильных множествах моментов времени , (k=1, …, N, j=1, …, n). Информация об активности (опасности) отдельного k-то дефекта характеризуется числом импульсов ЧР в k-й серии n; эта информация теряется в общей картине, состоящей из всех n импульсов ЧР.
s
s
Нетрудно показать, что не всякая последовательность n единичных ЧР, выбранная из интегральной картины , произошедших в моменты времени  (j=1, …, n), отражает серию ЧР, происшедших в некотором дефекте.
j
Проверка произвольного множества  на «правильность», на соответствие гипотезе об ассоциировании его отдельному потенциальному дефекту, может потребовать определенных вычислительных затрат и зависит от глубины проработки математической теории вопроса и эффективности применяемых алгоритмов и программ. Имеет смысл формулировать критерии «отбраковки» анализируемых множеств ; так, например, отбраковываются «подозреваемые» множества , содержащие моменты времени t в одном полупериоде рабочего напряжения и не содержащие последних в другом полупериоде. Более подробное изложение математической теории вопроса не входит в рамки данного заявляемого изобретения. Алгоритмическая сторона отыскания правильных ЧР-множеств также представляет предмет специального анализа; заметим лишь, что теоретически задача может быть решена хотя бы методами (полного) перебора.
1
k
N
Количественным критерием активности (опасности) реальной наблюдаемой картины ЧР должна служить некоторая функция ; эта функция должна быть нелинейной и монотонно возрастающей относительно своих переменных (n, …, n, …, n), поскольку с возрастанием числа ЧР в k-й серии опасность к-то дефекта возрастает. Простейшими примерами таких функций могут быть:
Кроме того, количественные критерии опасности могут включать в себя максимальное, минимальное и среднее значения токов ЧР отдельных дефектов, и/или значения энергии ЧР отдельных дефектов.
Итак, повышение достоверности и надежности оценки опасности ЧР, и, следовательно, достоверности и надежности оценки ТС ВВО непосредственно связано с необходимостью декомпозиции разложения интегральной картины ЧР на фрагменты, ассоциированные с отдельными дефектами и последующим применением критериев опасности (технического состояния), использующих информацию об электрофизических процессах в этих дефектах, в частности (в простейшем случае), - количества ЧР в сериях.
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, широкополосные приемники, осциллографы. Чувствительность современной измерительной аппаратуры позволяет надежно регистрировать сигналы ЭМИ в диапазоне от единиц кГц до единиц ГГц. Эти средства измерений могут быть подключены к ЭВМ, что обеспечивает оперативный анализ измерительной информации и выдачу управляющих решений в соответствии с совокупностью количественных критериев.
При расчетах используются известные программы расчета электрических цепей и электромагнитных полей и оптимизационные процедуры численного математического моделирования. Количественные значения критериев формируются на основе статистики наблюдений технического состояния элементов ВВО. На основе математического анализа процесса ЧР и/или практических исследований формулируется ПРИНЦИП соответствия произвольного множества моментов времени ЧР , рассматриваемого как моменты серии ЧР, некоторому k-му потенциальному дефекту. Этот ПРИНЦИП может быть представлен либо в виде аналитических соотношений, либо в алгоритмическом виде, либо заключаться в наборе эвристических правил; он позволяет проверить гипотезу о наличии потенциального дефекта, формирующего некоторый конкретный фрагмент интегральной картины ЧР.
Пример осуществления способа
4
Приведем пример реализации способа контроля с использованием картины спектра, полученной в процессе имитационного математического моделирования процесса ЧР. Поскольку решение поставленной задачи с математической точки зрения может быть представлено как нелинейная дискретная оптимизационная задача с негарантированным и неединственным решением, процесс требует значительных вычислительных ресурсов; при этом большой объем вычислений приходится на перебор подмножеств  и проверку их на ПРИНЦИП соответствия некоторому потенциальному дефекту. Ограничимся иллюстративным примером, подразумевающим наличие 4 дефектов; соответственно, интегральная картина ЧР является суммой 4-х случайных серий ЧР. На фиг. 2а представлен фрагмент картины спектра, содержащий 40 ЧР, распределенных на периоде рабочего напряжения Т; предполагается, что амплитуды всех наблюдаемых ЧР примерно равны. Точность расчетов по оси времени составила 10 точек на период Т.
Приведем номера временных точек:
з
п
Предполагалось также, что априори задано (или экспериментально получено) соотношение напряжений зажигания и погасания разряда: U:U=1:0.625.
Решение задачи декомпозиции спектра производилось с помощью 2-х процедур:
- на первом этапе применялись эвристические (интуитивно верные) правила для выбора подмножеств , сокращающие возможный перебор вариантов,
- на втором этапе правильность выбора проверялась, и находились подходящие численные параметры с помощью аналитических выражений и алгоритмов, приведенных в разделе сущность изобретения.
Так, в качестве эвристических правил можно, к примеру, привести следующие: - судя по близости линий 2318, 2342 и сопоставляя их с ближайшей линией 1968, можно сделать правдоподобное предположение о том, что они образованы различными сериями ЧР, принадлежащими различным дефектам.
Таким образом, можно предположить, по крайней мере, что дефектов как минимум, 2, и, следовательно, в одной серии на первой четверти периода может оказаться не 18 линий, а не более 9, что значительно сокращает перебор;
- при подборе правдоподобных подмножеств  на первом этапе выбирались подмножества, которые насколько возможно «равномерно» распределялись среди линий 1-й четверти периода; остальные линии были использованы для уточнения численных значений параметров;
- количества линий в 1-й и 3-й четвертях периодов одной серии отличались не более чем на ±1.
В результате декомпозиции интегральной картины ЧР получены следующие результаты:
1m
10
з
1
численные параметры серии: U:U:U=2.5:0.762:1.0, n=18;
3m
30
з
3
численные параметры: U:U:U=1.25:0.625:1.0 n=5;
4m
40
з
4
численные параметры серии: U:U:U=1.125:0.687:1.0, n=5.
10
40
Обратим внимание, что значения начальных условий U…U являются случайными побочными параметрами решения и не оказывают влияния на содержательный результат решения задачи.
В графическом виде результат представлен на фиг.(2б…2д)
Проверка: множества  полностью покрывают наблюдаемую картину ЧР :
Количественные критерии активности (опасности) реальной наблюдаемой картины ЧР примут, например, значения:
Практический вывод заключается в том, что проявляют себя 4 дефекта, причем 2 из них наиболее опасны, аккумулируя в себе ¾ общего количества ЧР:
1m
з
1
1-й с численными параметрами: U:U=2.5:1.0, n=18;
1m
з
2
2-й с численными параметрами: U:U=1.87:1.0, n=12.
2
Заметим, что исходная картина ЧР содержит 40 наблюдаемых ЧР, и по критериям  и  для нее могли бы быть получены заведомо завышенные оценки опасности: =40, и =40=1600.