СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF HIGH-VOLTAGE EQUIPMENT ELEMENTS TECHNICAL CONDITION

Изобретение относится к способам дистанционного контроля состояния наружной, линейной и внутренней изоляции, а также элементов высоковольтного электроэнергетического оборудования (ЭО), таких как силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы, реакторы и др., и может быть использовано для создания информационно-измерительных комплексов на базе анализаторов спектра и широкополосных приемников, имеющих возможность подключения к ЭВМ.
Известен способ контроля состояния высоковольтного оборудования (а.с. СССР № 883907, 1981 г.), включающий использование электронно-оптических дефектоскопов для регистрации оптического излучения от коронных и поверхностных частичных разрядов. Оптический способ используется при разработке и сертификационных испытаниях новых видов высоковольтного оборудования. При вводе оборудования в эксплуатацию оптическими дефектоскопами можно контролировать качество монтажа, выявлять недостатки проектных или конструкторских решений. В эксплуатации оптический способ используют для обнаружения коронирующих дефектов.
Недостатки способа - позволяет фиксировать только коронные и поверхностные частичные разряды наружной и линейной изоляции, а также элементов конструкций, при этом достоверность и точность сильно зависят от освещенности объекта диагностики, метеоусловий, наличия фоновых засветок и т.п.
Известен способ контроля состояния высоковольтного оборудования (Хренников А.Ю. и др. Электрические станции, 2001, № 8, с.48-52), предусматривающий использование тепловизоров для построения картины распределения температуры. Применение тепловизора позволяет определить состояние контактных соединений оборудования в любой момент времени без его отключения.
Недостаток способа - не позволяет выявлять дефекты на косвенно перегреваемых поверхностях оборудования.
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 определяются основные характеристики частичных разрядов во внутренней изоляции. Как известно (ГОСТ 20074-83, метод измерения характеристик частичных разрядов), интенсивность частичных разрядов количественно характеризуется: кажущимся зарядом единичного частичного разряда, частотой следования частичных разрядов, средним током частичных разрядов.
Основная трудность при измерении сигналов от частичных разрядов в эксплуатации связана с высоким уровнем помех, создаваемых в основном коронными разрядами на высоковольтной линии. Кроме того, этот метод предполагает остановку оборудования для подключения датчиков.
Обычно электрические датчики способны дать лишь очень грубую оценку местонахождения источника сигналов частичных разрядов, поэтому для локализации дефекта обычно используют акустические датчики, которые имеют значительно меньшую чувствительность, чем электрические, но не подвержены внешним помехам от силового оборудования подстанции.
Аналогом заявляемого изобретения является способ контроля состояния высоковольтного оборудования, включающий регистрацию и анализ спектров его собственного электромагнитного излучения (ЭМИ) (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, СПб., 2001, с.30-35). 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.
Недостаток этого технического решения - недостаточная надежность определения технического состояния высоковольтного оборудования в целом и диагностики дефектов в изоляции и отдельных элементов конструкции.
Известен патент РФ на изобретение № 2311652 от 10.04.2006 г. (G01R 31/00, 2006.01) «Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования». Техническое состояние (ТС) ЭО, находящегося под рабочим напряжением, определяют по ЭМИ этого оборудования, причем предполагается, что излучение происходит антеннами, в качестве которых приняты наружные вертикальные части вводов ЭО, изолированные от заземленного металлического корпуса. Оценка ТС производится в следующей последовательности:
- рассчитывают резонансные частоты излучений антенн;
- рассчитывают информативные частотные полосы излучений, ассоциированные со значениями резонансных частот;
- фиксируют в эквивалентных условиях интегральные мощности квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования;
- заключения о ТС ЭО делают на основании сравнений вышеуказанных интегральных мощностей квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах, зафиксированных в эквивалентных условиях у однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования.
Указанный способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования является наиболее близким к заявляемому изобретению и принят нами за прототип.
Применение заявленного способа имеет ряд ограничений. Так, имеется недостаток, связанный с ограниченной возможностью его применения, поскольку подразумевается, что излучают ЭМИ исключительно наружные вертикальные части вводов, изолированные от заземленного металлического корпуса контролируемого ЭО. При этом, с одной стороны, например, не учитывается такая особенность конструкции высоковольтных вводов (по крайней мере, ЭО класса напряжений 110 кВ и выше), как проводящие уравнительные прокладки (имеющие цилиндрическую форму и изолированные друг от друга). С другой стороны, не все ЭО присоединяются в схему явно выраженными вводами (например, трансформаторы тока).
Кроме того, способ не учитывает такой важной особенности реальных спектров излучения ЭМИ, как зависимость их от времени.
Ввиду отмеченных недостатков известный прототип не обладает достаточными достоверностью и надежностью диагностирования широкого класса ЭО.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении надежности определения технического состояния высоковольтного оборудования в целом и диагностики дефектов в изоляции и отдельных элементов конструкции.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что 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. При этом способ реализуется без отключения рабочего оборудования.
Для решения поставленной задачи способ контроля состояния высоковольтного оборудования, включающий регистрацию и анализ спектров его собственного электромагнитного излучения, отличается тем, что:
- вблизи элемента высоковольтного оборудования производятся предварительные экспериментальные исследования ЭМИ для оценки величины интервала времени Т, на котором спектр ЭМИ с достаточной достоверностью можно считать стационарным случайным процессом;
- в дальнейшем в течение интервала времени, не меньшего Т, фиксируют и количественно оценивают параметры спектров собственных ЭМИ ЭО;
- из зарегистрированных ЭМИ выделяют спектры электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, включающие частотные диапазоны со стабильно повторяемыми сигналами с амплитудой спектральных линий не менее 20…40 дБ;
- после чего численным анализом зафиксированных спектров электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, формируют совокупность количественных критериев, сравнение с которыми аналогичных параметров, полученных при последующем мониторинге спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования, позволяет судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах.
Кроме того, совокупность количественных критериев включает максимальное, минимальное и среднее значения амплитуд сигналов как на отдельных частотах, так и в определенном диапазоне, и/или его среднеквадратичное отклонение, и/или значения энергии спектра, и/или значения частоты модуляции огибающей спектра.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак "…оценка величины интервала времени Т, на котором спектр ЭМИ с достаточной достоверностью можно считать стационарным случайным процессом…" обеспечивает необходимое время наблюдения, позволяющее в дальнейшем корректно и эффективно применять математические методы обработки сигналов.
Признак "…вблизи высоковольтного оборудования фиксируют и количественно оценивают параметры спектров его собственного электромагнитного излучения…" обеспечивает измерение спектров сигналов от всех источников электромагнитного излучения, расположенных как на территории подстанции, так и вне ее, что позволяет обеспечить тотальный контроль всего комплекса высоковольтного оборудования, имеющегося на подстанции и подлежащего контролю.
Признак "…из которых выделяют спектры электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, включающие частотные диапазоны, со стабильно повторяемыми сигналами с амплитудой спектральных линий не менее 20…40 дБ" позволяет сформировать совокупность количественных критериев, сравнение с которыми аналогичных параметров, полученных при последующем мониторинге спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования, позволяет надежно судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования.
Признак "…численным анализом зафиксированных спектров электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции, формируют совокупность количественных критериев, сравнение с которыми аналогичных параметров, полученных при последующем мониторинге спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования", позволяет судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах, позволяет сформировать критериальную базу, позволяющую количественно оценивать техническое состояние высоковольтного оборудования и/или отдельных его узлов в данный момент времени по сравнению с его исходным гарантированно работоспособным состоянием, оценивать динамику изменения состояния оборудования и заблаговременно (до наступления аварийных ситуаций) заменять (или ремонтировать) потенциально опасные узлы.
Признаки второго пункта формулы раскрывают понятие совокупность количественных критериев, сравнение с которыми аналогичных параметров, полученных при последующем мониторинге спектров собственного электромагнитного излучения высоковольтного оборудования, позволяет судить об общем техническом состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах.
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 в диапазоне от 10 кГц до 3 ГГц, благодаря чему имеется возможность регистрации спектров электромагнитного излучения от таких источников, как коронные, поверхностные частичные и частичные разряды, высокочастотная связь, телерадиопередающие станции и т.д.
Названные средства бесконтактной регистрации электромагнитного излучения должны быть выполнены с возможностью подключения к ЭВМ, что обеспечивает оперативный анализ измерительной информации и выдачу управляющих решений в соответствии с совокупностью количественных критериев.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
1. С использованием названных комплектов измерительной аппаратуры предварительно оценивают время стационарности Т амплитудно-частотных спектров ЭМИ вблизи высоковольтного оборудования на территории подстанции в высокочастотном диапазоне.
2. Производится регистрация спектров ЭМИ вблизи высоковольтного оборудования на территории подстанции в высокочастотном диапазоне в течение времени, не меньшего, чем Т.
3. Удаляют (обнуляют) те спектральные линии (или диапазоны), которые соответствуют внешним, по отношению к высоковольтному оборудованию, источникам (тем самым очищают измеренный спектр от спектральных линий, источниками которых являются телерадиопередающие станции, сигналы высокочастотной связи и т.д. Эта процедура не вызывает больших затруднений, так как частоты, на которых ведется прием и передача информации, или известны, или они просто определяются с помощью измерительных приборов).
4. Полученный спектр ограничивается сверху и снизу по амплитуде, а также по частотным диапазонам, и формируются совокупности спектров, соответствующих собственному электромагнитному излучению высоковольтного оборудования (т.е. формируют ансамбли спектров, несущих информацию только о собственном электромагнитном излучении высоковольтного оборудования и только от частичных разрядов во внутренней изоляции). Это достигается путем:
- удаления сигналов, соответствующих собственным шумам измерительной аппаратуры (ограничение снизу);
- ограничения амплитуды спектральных линий на уровне 5 дБ от максимального значения для исключения случайных выбросов (ограничение сверху);
- выделения частотных диапазонов, в которых наблюдаются стабильно повторяемые сигналы с амплитудой спектральных линий не менее 20-40 дБ и соответствующие только сигналам от частичных разрядов во внутренней изоляции.
5. С помощью полученных спектров собственного электромагнитного излучения 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 максимальное, минимальное и среднее значения амплитуд сигналов как на отдельных частотах, так и в определенном диапазоне, и/или его среднеквадратичное отклонение, и/или значения энергии спектра, и/или значения частоты модуляции огибающей спектра. Эти величины по отдельности и в различных сочетаниях являются критериями оценки состояния высоковольтного оборудования.
К настоящему времени экспериментально доказана возможность частотной селекции сигналов от частичных разрядов во внутренней изоляции и корреляция вышеперечисленных критериев с конкретными дефектами высоковольтного оборудования.
Описанный комплекс работ и вычислений повторяют с заданной периодичностью во время работы контролируемого оборудования и сравнивают полученные результаты с предыдущими с учетом их динамики в сторону критических значений, предшествующих отказу контролируемого высоковольтного оборудования и/или отдельных его узлов, что позволяет судить об их общем техническом состоянии и при необходимости заблаговременно, оперативно и оптимально (т.е. с минимальным ущербом с точки зрения обслуживаемых потребителей) принимать соответствующие организационно-управленческие решения по восстановлению работоспособности узлов, потенциально опасных аварией.
Работа выполнена при частичной поддержке грантом РФФИ 06-08-00508-а.