СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
HIGH-VOLTAGE DIAGNOSTIC METHOD AGAINST PARTIAL DISCHARGE PARAMETERS

Предлагаемое изобретение относится к технике высоких напряжений и может быть использовано для диагностики высоковольтного оборудования по параметрам электрических шумов, вызванных частичными разрядами (ЧР).
Известны способы диагностики и тестирования изоляции путем измерения характеристик частичных разрядов с помощью индуктивных и емкостных датчиков (R.Е. James et al. Application of a capacitive Network Winding Representation to the Location Partial Discharges in Transformers / Electric Engineering Transaction, Vol. ЕЕ-13, N2, 1977. Р.95-103; Патент RU 2207581 C2, 17.04.2001, МПК G01R 31/08, 31/11), заключающиеся в том, что частичные разряды регистрируют с помощью индуктивных или емкостных датчиков, выходные сигналы которых фильтруют и усиливают, формируя таким образом сигнал, несущий информацию об электрических шумах, вызванных ЧР в изоляции диагностируемого высоковольтного оборудования. Общим недостатком этих способов является низкая достоверность диагностики, обусловленная влиянием электрических разрядов, возникающих вне диагностируемого оборудования.
Известен способ контроля частичных разрядов в электрическом силовом трансформаторе (Евразийское патентное ведомство 000019 B1, 30.12.1997, МПК G01R 31/02, 31/34). Способ заключается в том, что при рабочем напряжении на высоковольтном вводе электрические шумы от частичных разрядов силового трансформатора воспринимают индуктивным и емкостным датчиками, выходные сигналы которых фильтруют, усиливают и умножают один на другой, и в соответствии со знаком произведения формируют сигнал, несущий информацию о частичных разрядах в баке трансформатора.
Способ не обеспечивает требуемой селективности разрядов внутри и вне высоковольтного оборудования, имеет недостаточную достоверность и не обладает необходимой наглядностью представления результатов контроля. Указанные недостатки в значительной степени обусловлены широким диапазоном значений кажущихся зарядов частичных разрядов в изоляции трансформатора. В результате при определенных значениях напряженности электрического поля текущее среднее значение кажущихся зарядов ЧР в поврежденной изоляции настолько высоко, что выходит за пределы динамических диапазонов датчиков, фильтрующих, усиливающих и перемножающих компонент средств измерений. Из-за этого происходит искажение параметров частичных разрядов, возможно появление ложной полярности произведения сигналов индуктивного и емкостного датчиков. Повышается вероятность насыщения усиливающих компонент в результате наложения ЧР, возникающих в различных областях диагностируемого оборудования, друг на друга. Это приводит к временному сдвигу перехода их выходных напряжений через нулевой уровень и может явиться причиной неправильного определения полярности произведения сигналов индуктивного и емкостного датчиков. В результате требуемый уровень селективности к восприятию разрядов внутри и вне диагностируемого высоковольтного оборудования не обеспечивается. Кроме того, при использовании известного способа для регистрации характеристик ЧР с помощью широко применяемых при диагностике высоковольтного оборудования цифровых регистраторов (Михеев Г.М. Цифровая диагностика высоковольтного оборудования. - Изд. Дом «Додека - XXI», 2008. - 304 с.), обеспечивающих наглядность результатов контроля, возникает трудно устранимое противоречие между скоростью и точностью регистрации. Указанные недостатки существенно снижают эффективность диагностики высоковольтного оборудования с использованием электрических шумов, вызванных частичными разрядами.
Цель предлагаемого изобретения - повышение достоверности и наглядности результатов электрошумовой диагностики высоковольтного оборудования за счет обеспечения высокой селективности электрических шумов, вызванных ЧР внутри и вне оборудования, снижения погрешностей измерения параметров ЧР и представления результатов диагностики в виде зависимостей длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, от напряжения на высоковольтном вводе диагностируемого оборудования.
Указанная цель достигается тем, что электромагнитное поле частичных разрядов воспринимают на высоковольтном вводе силового трансформатора индуктивным и емкостным датчиками, выходные сигналы которых фильтруют, усиливают и умножают один на другой и в соответствии со знаком произведения формируют информативные сигналы, первый из которых пропорционален текущему среднему значению кажущегося заряда частичных разрядов, а второй - текущему среднему значению длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, с помощью первого сигнала корректируют скорость изменения напряженности электрического поля в изоляции, обеспечивая стабилизацию текущего среднего значения кажущегося заряда частичных разрядов, а с помощью второго определяют зависимость длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, от напряжения на высоковольтном вводе диагностируемого оборудования.
При диагностике предлагаемым способом напряженность электрического поля в изоляции высоковольтного оборудования изменяют в соответствии с текущим средним значением кажущегося заряда частичных разрядов, снижая скорость изменения напряженности при увеличении текущего среднего значения кажущегося заряда и увеличивая при его уменьшении. Таким образом, диагностику проводят в режиме стабилизации текущего значения кажущегося заряда ЧР на уровне, соответствующем минимальным погрешностям измерения параметров ЧР, определяя при этом текущие средние значения амплитуды импульсов тока, вызванных частичными разрядами.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ диагностики высоковольтного оборудования. На ней показаны часть бака 1 и ввод 2 диагностируемого высоковольтного аппарата с размещенными на нем индуктивным 3 и емкостным 4 датчиками ЧР, подключенными ко входам блока обработки сигналов 5, первый выход которого подключен ко входу Y цифрового регистратора 6, а второй выход подключен к первому входу вычитающего устройства 7, причем второй вход вычитающего устройства подключен к выходу источника переменного напряжения прямоугольной формы 8, а выход - ко входу интегратора 9. Выходной сигнал интегратора 9 подается на вход Х цифрового регистратора 6 и на первичную обмотку повышающего трансформатора 10, напряжение с которого подается на ввод 2.
На фиг.2 представлена структурная схема блока обработки сигналов 5, включающая в себя усилительно-фильтрующие компоненты 11 и 12, к входам a и b которых подключены соответственно индуктивный 3 и емкостный 4 датчики ЧР, а выходы соединены со входами перемножающего устройства 13, выход последнего подключен к управляющему входу блока коммутации 14, сигнальный вход которого подключен к выходу усилительно-фильтрующей компоненты 11, а выход - к усредняющей RC-цепи 15 и к последовательно соединенным амплитудному модулятору импульсов 16, усредняющей RC-цепи 17 и вычислителю обратного значения 18.
Устройство работает следующим образом. Сигналы электрических разрядов принимаются индуктивным и емкостным датчиками 3 и 4, приводятся к одному уровню и освобождаются от помех, проходя через усилительно-фильтрующие компоненты 11 и 12, а затем перемножаются устройством 13. Выходной сигнал этого устройства, полярность которого определяется местом возникновения разряда (т.е. внутри или вне диагностируемого высоковольтного оборудования), управляет работой блока коммутации 14, обеспечивая дальнейшее прохождение импульсов тока, соответствующих ЧР только внутри диагностируемого оборудования
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>ч</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>d</mi><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>ч</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
чр
где Q(t) - кажущийся заряд ЧР.
Поступая на вход усредняющей RC-цепи 15, эти импульсы вызывают на ее выходе напряжение
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>N</mi></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>ч</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><msub><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>ч</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mi>Δ</mi><mi>N</mi><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
1
к
к
чр
0
где k - коэффициент пропорциональности; Δτ - интервал усреднения RC-цепей 15 и 17; ΔN - количество ЧР на интервале усреднения; t и t - соответственно, момент возникновения и длительность k-го ЧР; Q - среднее на интервале Δτ значение кажущегося заряда ЧР. Амплитудный модулятор 16 формирует из импульсов сложной формы (1), соответствующих ЧР, однополярные прямоугольные импульсы тока той же амплитуды, но стабильной длительности τ. Текущее среднее значение этого импульсного сигнала выделяется цепью усреднения 17, на выходе которой действует напряжение
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>N</mi><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
ср
где k - коэффициент пропорциональности; I - текущее среднее значение амплитуды импульсов тока (1).
0
1
На вычитающем устройстве 7 формируется и подается на вход интегратора 9 разность напряжений, одно из которых, знакопеременное с амплитудой U=const, поступает с источника напряжения прямоугольной формы 8, а другое, u(t), с усредняющей RC-цепи 15. На выходе интегратора действует напряжение
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
3
где k - коэффициент пропорциональности; τ - постоянная интегрирования. Это напряжение подается на вход X цифрового регистратора 6 и на первичную обмотку повышающего трансформатора 10.
Учитывая, что
3
чр
3
чр
чр
du(t)/dt=[dQ(t)/dt]×[du(t)/dQ(t)]=i(t)/C,
где C - эквивалентная емкость цепи тока ЧР, продифференцируем (4). В результате получим
0
1
чр
3
U-u(t)=τi(t)/kC.
3
Таким образом, если k достаточно велик, что легко достигается при выполнении интегратора на базе современного операционного усилителя, то
0
1
U≈u(t),
т.е. за счет отрицательной обратной связи, с учетом (2), реализуется режим стабилизации текущего среднего значения кажущегося заряда частичных разрядов
1
чр
1
ср
ср
0
kQΔN/Δτ=kIτΔN/Δτ=U,
ср
где τ - текущее среднее на интервале усреднения Δτ значение длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами.
В этом случае справедливо выражение
ср
0
1
ср
I=ΔτU/ΔNkτ,
после подстановки которого в (3), получим
2
2
0
0
1
ср
4
ср
u(t)=kτU/kτ=k/τ,
4
где k=const.
2
Сигнал u(t) преобразуется вычислителем обратного значения 18 в напряжение, пропорциональное текущему среднему значению длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами
4
ср
4
u(t)=τ/k.
ср
ср
Это напряжение подается на вход Y цифрового регистратора 6, на вход X которого с выхода интегратора 9 поступает напряжение, пропорциональное напряжению на вводе 2 диагностируемого высоковольтного аппарата. Таким образом, обеспечивается регистрация зависимости текущих средних значений длительности импульсов тока, вызванных частичными разрядами, от приложенного напряжения τ=f(U). Регистрация производится в режиме стабилизации текущего значения кажущегося заряда ЧР на уровне, соответствующем минимальным погрешностям измерения параметров ЧР. Этот уровень определяется коэффициентом передачи в контуре управления, включающем диагностируемую изоляцию, а также элементы 2, 3, 4, 5, 9 и 10 (фиг.1). Критерием выбора этого уровня является отсутствие изменений в регистрируемых зависимостях τ=f(U) при уменьшении модуля этого коэффициента, например, путем уменьшения усиления в компонентах 11 и 12 (фиг.2).
ср
ср
ср
ср
ср
Анализ состояния изоляции высоковольтного оборудования осуществляется по виду графика зависимости τ=f(U). На фиг.3 представлены типичные графики зависимостей τ=f(U), полученные предлагаемым способом на лабораторном высоковольтном трансформаторе с низким качеством изоляции, близким к критическому. Амплитуда испытательного напряжения для кривой 1 равна 50%, а для кривой 2-120% от номинальной рабочей амплитуды. Начальные участки кривых (o-a-c для кривой 1) соответствуют первоначальному после подачи испытательного напряжения увеличению напряженности электрического поля от нуля до положительного амплитудного значения, а замкнутые петлеобразные контуры (кривая 1: o-b-c-d-o-e-f-g-o и кривая 2: o-b-c-d-o-e-f-g-o) - циклическому изменению напряженности. Наблюдаемая на кривой 2 за точками c' и f' область снижения значений τ при росте напряжения свидетельствует о пробое основной части локальных дефектов изоляции. Информативными параметрами кривых являются площадь, ограниченная ими; максимальное значение τ и соответствующее ему напряжение (координаты точки c'); значение τ, соответствующее амплитуде напряжения (координаты точки d'), а также наклоны касательных, проведенных к кривым в характерных точках (начальный, максимальный и др.).
ср
ср
На фиг.4 представлены графики зависимостей τ=f(U), полученные в соответствии с предлагаемым способом при диагностике одной из фаз автотрансформатора АТДЦТН-200000/110/6. Кривая 1 соответствует исправной, а кривая 2 - дефектной изоляции. Обработка результатов прямых измерений параметров этих зависимостей с многократными (n=25) наблюдениями показывает, что погрешность измерений, соответствующая доверительной вероятности 95%, благодаря режиму стабилизации по предлагаемому способу снижается с 30-40% (без стабилизации текущего среднего значения кажущегося заряда частичных разрядов) до 8-10% (со стабилизацией). Результаты эксперимента обладают хорошей наглядностью, свидетельствуют об информативности зависимостей τ=f(U) и высокой достоверности предлагаемого способа диагностики высоковольтного оборудования.