СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗОЛЯЦИИ ОБЪЕКТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD FOR REMOTE MONITORING QUALITY OF INSULATION OF COMPONENTS OF HIGH-VOLTAGE ALTERNATING CURRENT ELECTRICAL INSTALLATIONS

В настоящее время одной из наиболее актуальных задач электроэнергетики является создание способа и устройства для качественной и количественной дистанционной регистрации состояния элементов высоковольтных установок переменного тока. Нарушение качества изоляции сопровождается возникновением коронного разряда.
Коронный разряд на высоковольтных установках и на протяженных участках линий электропередач (ЛЭП) особенно сильно проявляется при повышенной влажности и в условиях сильных загрязнений и дефектов элементов высоковольтных установок (например, электроизоляторов на ЛЭП). Коронный разряд, возникающий в местах нарушения качества изоляции и сильных загрязнениях, имеет особые проявления, выражающиеся в виде так называемых высокочастотных частичных разрядов (ЧР). ЧР заключается в возникновении кратковременных импульсов тока (стримеров), проходящих через загрязненные участки. ЧР сопровождаются высокочастотными вспышками на фоне коронного разряда. Появление ЧР является основным критерием, по которому производится оценка качества изоляции.
Наиболее традиционным методом диагностирования состояния высоковольтных установок является метод подачи тестовых высоковольтных импульсов при непосредственном присоединении специальных устройств к испытуемой цепи с последующим осциллографированием отраженного сигнала. Данный метод наиболее однозначно регистрирует состояние электроустановок, однако он требует отключения основного напряжения, что не всегда возможно.
Существуют различные бесконтактные методы регистрации повреждения ЛЭП высокого напряжения: акустический и оптоэлектронные методы. К их достоинствам относится возможность работать при поданном высоком напряжении на ЛЭП. Акустический метод основан на эффекте излучения звука от ЧР, отличающегося характерным потрескиванием. Звук при помощи сверхчувствительного микрофона преобразуется в электрический сигнал, затем анализируется специальными алгоритмами. Электромагнитный метод основан на приеме радиоизлучения, возникающего в результате протекания ЧР. К достоинствам обоих методов относится то, что они позволяют регистрировать скрытые повреждения внутри изоляции, однако на фоне помех регистрация ЧР не всегда возможна.
Весьма перспективными способами обнаружения коронного разряда являются оптоэлектронные методы. Основной проблемой в этих методах является засветка от посторонних источников, наиболее сильным из которых является Солнце. Вклад в солнечное излучение на поверхности Земли ультрафиолетового (УФ) излучения в существенной мере зависит от текущей прозрачности атмосферы. При этом спектральный диапазон от 200 до 315 нм можно охарактеризовать как свободный от воздействия солнечного излучения (солнечно-слепой). Именно с использованием анализа УФ-излучения в этом диапазоне возможно создание эффективного способа регистрации УФ-излучения коронного разряда, возникающего при утечке тока с элементов высоковольтных установок переменного тока с последующим анализом полученной информации и получением количественных и качественных данных о состоянии изоляции элементов таких установок.
Известен детектор коронного разряда (патент США №5886344, «Corona detector with narrow-band optical filter», МПК G02B 23/12; опубл. 23.03.1999), который предназначен для дистанционной регистрации коронного разряда. Функционирование детектора заключается в том, что излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую прохождение ультрафиолетового излучения в заданном солнечно-слепом диапазоне и подавление излучения волн другой длины. Система линз, связанная с фильтром, обеспечивающим пропускание излучения исключительно УФ-диапазона, формирует изображение удаленного объекта.
Существенным недостатком этого известного детектора является то, что с его помощью можно получить только изображение свечения коронного разряда. Получить какую-либо количественную информацию и сделать соответствующие выводы о состоянии изоляции элементов высоковольтных установок переменного тока невозможно.
Задачей, поставленной при создании настоящего изобретения, является преодоление указанного недостатка и обеспечение получения как качественной, так и количественной информации о состоянии изоляции.
Техническим результатом является создание надежного способа контроля за самыми разнообразными элементами изоляции высоковольтных установок переменного тока, например состояния изоляторов высоковольтных линий электропередач. Применение данного способа позволит существенно упростить контроль качества изоляции, предотвратить возможные катастрофические последствия разрушения изоляции, например пожары.
Поставленная задача решается, а указанные результаты достигаются тем, что в способе обнаружения коронного разряда, заключающемся в том, что излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую прохождение ультрафиолетового излучения в заданном солнечно-слепом диапазоне и подавление излучения волн другой длины, производят регистрацию отдельных фотонов, выполняют их счет, определяют время и координаты их прихода. На основании полученных данных определяют положение источника излучения, формируют время-амплитудную характеристику излучения, выделяют основную частоту переменного тока, вычисляют спектрограмму и определяют на основании ее анализа наличие частичных разрядов, частоту их следования и повторения. Затем устанавливают соответствие между интенсивностью счета фотонов и мгновенной фазой переменного напряжения, получая информацию о мгновенной мощности ультрафиолетового излучения на выбранной частоте, на основе этой информации строят фазовую интегральную характеристику и характеристику амплитудно-фазового распределения, анализируя эти характеристики, определяют относительную интенсивность излучения частичных разрядов в различных фазах, получая качественные и количественные характеристики качества изоляции объекта. Для выделения основной частоты возможно применение Фурье. Наличие частичных разрядов определяют путем построения спектрограммы методом вейвлет-преобразований. Соответствие между интенсивностью счета фотонов и мгновенной фазой переменного напряжения линии устанавливают путем использования метода Фурье-преобразований или путем использования метода вейвлет-преобразования. При реализации предлагаемого способа обеспечивают пропускание ультрафиолетового излучения в диапазоне 250-280 нм.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично представлено устройство, в котором реализуется предлагаемый способ;
на фиг.2 показана зависимость спектральной интенсивности от частоты, полученная методом Фурье;
на фиг.3 показан пример спектрограммы амплитудно-временного изменения плотности потока при наличии частичных разрядов, полученный при использовании материнского вейвлета Морле;
на фиг.4 показана ФИХ счета фотонов коронного разряда, в котором присутствуют ЧР;
на фиг.5 представлены диаграммы АФР для шести фазовых интервалов, обозначенных цифрами на фиг.4.
Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ, содержит оптическую систему, включающую УФ-объектив 1, в котором используются линзы 2, специальные кристаллы 3 с пропусканием УФ-излучения в диапазоне 250-280 нм и подавлением других длин волн, а также УФ-фильтры 4. За названными фильтрами размещен монофотонный время-координатно-чувствительный детектор (ВКЧД) 5, временной канал 6, электронная система управления 7.
-14
5
7
Предлагаемый способ реализуют в устройстве следующим образом. Фотоны от источника коронного разряда, возникающего на элементах высоковольтных электрических установках переменного тока, попадают в оптическую систему, которая пропускает фотоны выбранного диапазона УФ-излучения и подавляет излучение всех остальных длин волн. Коэффициент подавления фотонов с длинами волн, отличными от выбранного диапазона УФ-излучения (250-280 нм), может достигать 10. Благодаря оптической системе обеспечивается солнечно-слепой режим регистрации УФ-излучения, что позволяет эксплуатировать устройство в условиях интенсивного солнечного излучения, попадающего непосредственно в объектив. Прошедший через оптическую систему 1 фотон УФ-излучения попадает на ВКЧД 4. Время-координатно-чувствительный детектор позволяет преобразовать поток фотонов в поток электронов, усилить этот поток электронов в 10-10 раз, определить координаты попадания фотонов на входную поверхность ВКЧД, получить сигнал о времени прихода фотона, выполнить счет фотонов.
Полученные данные используют для определения положения источника излучения, проведения временного анализа на основе измерения амплитудно-временных характеристик (за счет малой временной постоянной на уровне ниже 1 нс) и последующего построения время-амплитудной характеристики излучения. Далее выделяют основную частоту переменного тока и вычисляют спектрограмму. Анализируя спектрограмму, определяют наличие частичных разрядов, частоту их следования и повторения.
Для спектрального анализа амплитудно-временного изменения плотности потока излучения от элементов электроустановки возможно использование различных методов, в частности методов дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и дискретное вейвлет-преобразование (ДВП).
Коронный разряд, возникающий на элементах высоковольтных электроустановок переменного тока, является периодическим процессом. Для переменного тока разряд возникает только на полуволнах высокого напряжения, таким образом, в спектре сигнала должна быть удвоенная частота колебаний электросети 100 Гц. Изображение Фурье (фиг.2) показывает наличие основной гармонической составляющей на частоте сети, что, с одной стороны, подтверждает то, что это УФ-излучение от коронного разряда, возникающего на ЛЭП переменного тока, и, с другой стороны, позволяет контролировать отклонение частоты электросети от заданных норм.
Использование метода ДПФ для анализа амплитудно-временного изменения плотности потока излучаемой элементами электроустановок энергии имеет ряд недостатков, к которым главным образом относится то, что используемая базисная гармоническая функция не локализована во времени. Временные отклонения значения частоты электросети приводят к расползанию пика изображения Фурье, а также к его уменьшению из-за сдвига фазы.
Более мощным аналитическим аппаратом спектрального анализа амплитудно-временного изменения плотности потока излучаемой элементами электроустановок энергии по сравнению с ДПФ является дискретное вейвлет-преобразование (ДВП), появившееся в 80-х года прошлого столетия. В отличие от ДПФ базисная функция которого жестко задана, ДВП может иметь различные базисные функции, или так называемые материнские вейвлеты.
s
а
Вейвлет-спектр W(a, b) в отличие от Фурье-спектра является функцией двух аргументов: первый аргумент  (временной масштаб) аналогичен периоду осцилляции, т.е. обратно пропорционален частоте, а второй аргумент b аналогичен смещению сигнала по оси времени. Таким образом, вейвлет-преобразование можно сравнить с «математическим микроскопом», где увеличение - масштабный коэффициент, сдвиг - перемещение, а тип вейвлета характеризует оптические свойства микроскопа. На фиг.3 показан пример спектрограммы амплитудно-временного изменения плотности потока излучаемой элементами электроустановок энергии при наличии ЧР при использовании материнского вейвлета Морле. Из литературных источников известно, что частота следования ЧР лежит в пределах 0,5-5 кГц. Временное разрешение и чувствительность монофотонного фотоприемника позволяют регистрировать излучение от ЧР, что важно, так как именно они являются признаком нарушения качества изоляции. На фиг.3 хорошо видны особенности, связанные как с основной частотой переменного напряжения сети, так и связанные с появлением ЧР. Именно в этом и состоит основная особенность предлагаемого способа - определение наличия в коронном разряде ЧР. Спектрограмма дает наглядное представление о гармонических составляющих сигнала и о том, в каких временных интервалах произошли данные гармонические всплески.
Наблюдение всплесков на вейвлет-спектрограмме позволяет лишь визуально определить наличие ЧР, однако для определения количественных характеристик требуется построение дополнительных характеристик. Такими характеристиками являются фазовая интегральная характеристика (ФИХ), амплитудное распределение (АР) и амплитудно-фазовое распределение (АФР). Эти характеристики могут быть построены только при наличии временных измерений с ВКЧД. Для построения этих характеристик устанавливают соответствие между интенсивностью счета фотонов и мгновенной фазой переменного напряжения, обеспечивая создание так называемого механизма фазовой привязки. Результатом фазовой привязки является последовательность, содержащая мгновенную фазу мощности УФ-излучения на выбранной частоте, на основе которой производится построение ФИХ, АР и АФР.
Анализируя указанные характеристики, определяют относительную интенсивность излучения частичных разрядов в различных фазах, получая, таким образом, качественные и количественные характеристики изоляции объекта.
ФИХ позволяет определить модуль мгновенного напряжения электросети для каждого частичного разряда. Это является основой для вычисления таких важных параметров, характеризующего коронный разряд, как напряжение зажигания и погасания коронного разряда для положительного и отрицательного полупериода напряжения электросети, а также частоты следования ЧР. На фиг.4 показана ФИХ счета фотонов с четырьмя ЧР, из которой следует, что ЧР возникают при больших напряжениях электросети. Построение АФР, с одной стороны, является альтернативным ФИХ методом визуализации ЧР, а с другой стороны, из АФР можно извлекать количественные характеристики, так как определенные максимумы, получаемые на графиках АФР (фиг.4), свидетельствуют об интенсивности излучения ЧР в различных фазах. На фиг.5 представлены диаграммы АФР для шести фазовых интервалов, обозначенных цифрами на фиг.4, из которых следует, что распределения для коронного разряда при небольших напряжениях электросети (интервалы 1 и 6) имеют убывающий вид, что характерно для коронного разряда без ЧР, а при больших напряжениях (особенно для интервалов 3 и 4) интенсивность фотонов резко возрастает и имеет довольно сложный вид. Интенсивности счета фотонов для различных фаз напряжения электросети позволяют оценивать количественные интенсивности ЧР.
Указанные диаграммы были получены при испытании детектора, работающего по предлагаемому способу на одной из подстанций РАО «ЕС России», что подтверждает промышленную применимость предлагаемого способа.