Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования
METHOD FOR MONITORING TECHNICAL CONDITION OF ELECTRIC POWER EQUIPMENT

Изобретение относится к способам шумовой диагностики электроэнергетического оборудования (ЭЭО) и предназначено для создания промышленных информационно-измерительных комплексов дистанционного неразрушающего контроля технического состояния (ТС) такого оборудования.
Известен способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования [1], в котором дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению (ЭМИ) этого оборудования, причем в качестве антенн приняты наружные вертикальные части вводов ЭЭО, изолированные от заземленного металлического корпуса. Для оценки ТС обследуемого оборудования предлагается сначала рассчитать резонансные частоты излучений антенн, затем рассчитать информативные частотные полосы излучений, ассоциированные со значениями резонансных частот, после чего зафиксировать в эквивалентных условиях интегральные мощности квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного ЭЭО. Заключение о ТС ЭЭО предлагается делать на основании сравнения вышеуказанных интегральных мощностей квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах, зафиксированных в эквивалентных условиях у однотипного контролируемого и эталонного электроэнергетического оборудования.
Недостатками данного способа являются низкие глубина, точность и надежность диагностирования дефектности контролируемого ЭЭО.
Низкая точность диагностирования дефектности обусловлена сильной зависимостью способа от количества зафиксированных в эквивалентных условиях спектров излучений вертикальной поляризации однотипного оборудования, что особенно негативно сказывается на результатах диагностики в случае первичного обследования малого количества однотипного оборудования, либо в случае очередного обследования, но при условиях, сильно отличающихся от условий работы при предыдущих обследованиях.
Низкая глубина диагностирования дефектности обусловлена отсутствием определения дефектностей внутренних конструктивных элементов обследуемого оборудования, среди которых основными являются обмотки и регуляторы напряжения с их баками. Определение дефектностей указанных элементов оборудования важно для принятия ответственного решения о частичном отключении, ремонте или своевременной замене дефектного ЭЭО, в связи с чем упомянутый способ не может обеспечить достаточную надежность определения технического состояния контролируемого ЭЭО.
Из этого следует, что упомянутый способ не обладает достаточной глубиной, точностью и надежностью диагностирования дефектности контролируемого ЭЭО.
Известен также способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования [2], в котором, как и в способе-аналоге [1], дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению этого оборудования, причем в качестве антенн приняты наружные вертикальные части вводов ЭО, изолированные от заземленного металлического корпуса. Для оценки ТС обследуемого оборудования предлагается сначала рассчитать резонансные частоты излучений антенн, затем рассчитать информативные частотные полосы излучений, ассоциированные со значениями резонансных частот, после чего зафиксировать в эквивалентных условиях интегральные мощности квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного ЭЭО. По полученным значениям интегральных мощностей на основании сравнения указанных мощностей в одинаковых информативных полосах для однотипного и эталонного оборудования предлагается делать заключение о дефектности каждого ввода контролируемого оборудования. Далее, на основании применения известных соотношений и программ ЭВМ, рассчитывают резонансные частоты излучений конструктивных элементов обследуемого ЭЭО, расположенных внутри его металлического корпуса, включая и сам металлический корпус. Выделяют в измеренных в эквивалентных условиях энергетических спектрах вертикальной поляризации от контролируемого и эталонного оборудования для каждого внутреннего конструктивного элемента ЭЭО, включая и сам металлический корпус этого ЭЭО, его оптимальную информативную частотную полосу, расположенную внутри одной или нескольких соседних информативных частотных полос излучений вышеуказанных антенн вертикальной поляризации. Заключение о дефектности каждого внутреннего конструктивного элемента ЭЭО делается на основании сравнения максимальных интенсивностей пиков электромагнитных колебаний в одинаковых оптимальных информационных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого и эталонного оборудования, измеренных в эквивалентных условиях. Заключение о полной дефектности контролируемого оборудования делают на основании полученных данных о дефектностях каждого из вводов напряжений, металлического корпуса этого оборудования и каждого из конструктивных элементов, расположенных внутри него.
Указанный способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования является наиболее близким к заявляемому техническому решению, и принят за прототип.
Однако известный способ-прототип так же, как и способ-аналог, не обладает достаточной точностью диагностирования, а следовательно, не обладает и достаточной надежностью определения дефектности контролируемого ЭЭО, что связано с существенной зависимостью применимости способа от количества зафиксированных в эквивалентных условиях спектров излучений вертикальной поляризации однотипного оборудования. Этот недостаток особенно негативно сказывается на результатах диагностики в случае первичного обследования малого количества однотипного оборудования, а также в случае очередного обследования, но при условиях работы, сильно отличающихся от условий работы при предыдущих обследованиях.
Другим недостатком способа-прототипа является использование в качестве квалификационных свойств энергетических спектров излучений, характеризующих степень дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого ЭЭО, значений интегральной мощности, зависящих от степени дефектности внутренних конструктивных элементов. Таким образом, степень дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого ЭЭО при использовании способа-прототипа может быть установлена ложно.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании способа контроля ТС ЭЭО, обеспечивающего возможность установления дефектности малого количества однотипного ЭЭО при его первичном обследовании, а также в случае очередного обследования, но при условиях работы, сильно отличающихся от предыдущих обследований контролируемого ЭЭО, обладающего в сравнении с прототипом и другими аналогами увеличенной точностью и повышенной надежностью диагностирования.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличенной точности и повышенной надежности диагностирования дефектности этого оборудования, включая возможность установления дефектности малого количества однотипного ЭЭО при его первичном обследовании, а также в случае очередного обследования, но при условиях работы, сильно отличающихся от предыдущих обследований контролируемого ЭЭО.
Для решения поставленной задачи предлагается способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования, в котором дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению этого оборудования, и сначала рассчитывают резонансные частоты и определяют информативные частотные полосы излучений основных конструктивных элементов этого оборудования, регистрируют энергетические спектры квазигармонических электромагнитных колебаний вертикальной поляризации от однотипного контролируемого оборудования, находящегося в эквивалентных условиях, и определяют дефектность каждого основного конструктивного элемента на основании сравнения квалификационных свойств энергетических спектров излучений в одинаковых информативных частотных полосах для основных конструктивных элементов контролируемого и эталонного оборудования, а заключение о слабой или повышенной полной дефектности контролируемого оборудования делают на основании полученных данных о дефектностях каждого из основных конструктивных элементов этого оборудования, отличается тем, что для определения степени дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого оборудования используются энергетические спектры низкодобротных излучений, получаемые путем фильтрации зарегистрированных энергетических спектров квазигармонических электромагнитных колебаний вертикальной поляризации, а сами энергетические спектры излучений эталонного оборудования, использующиеся для определения дефектности основных конструктивных элементов контролируемого оборудования, являются составными и формируются на основании имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого оборудования, зарегистрированных в эквивалентных условиях, путем выделения среди упомянутых спектров наименьших интенсивностей электромагнитных колебаний для каждой измеренной частоты и формирования из этих интенсивностей единых энергетических спектров излучений вертикальной поляризации эталонного оборудования с сохранением соответствия между выбранными интенсивностями и принадлежащими им частотами.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы предлагаемого изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак, указывающий, что «для определения степени дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого оборудования используются энергетические спектры низкодобротных излучений» позволяет осуществлять оценку степени дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого ЭЭО по данным, не зависящим от степени дефектности внутренних конструктивных элементов этого оборудования. Это связано с тем, что внутренние конструктивные элементы ЭЭО, в отличие от внешних конструктивных элементов, входят в состав высокодобротных колебательных систем. Электромагнитные колебания, связанные с их дефектностью, излучаясь во внешнее пространство, формируют на энергетических спектрах квазигармонических электромагнитных колебаний вертикальной поляризации высокодобротные участки на фоне низкодобротных излучений внешних конструктивных элементов. Таким образом, использование указанного признака позволяет избежать установления ложной степени дефектности внешних конструктивных элементов контролируемого ЭЭО вследствие наличия в его энергетическом спектре излучений информации о степени дефектности внутреннего конструктивного элемента. Это позволяет повысить точность и надежность диагностирования.
Признак «… получаемые путем фильтрации зарегистрированных энергетических спектров квазигармонических электромагнитных колебаний вертикальной поляризации …» объясняет процесс формирования энергетических спектров низкодобротных излучений.
Признак «…энергетические спектры излучений эталонного оборудования, использующиеся для определения дефектности основных конструктивных элементов контролируемого оборудования, являются составными…» позволяет в качестве эталона использовать не слабодефектный образец с минимальными интенсивностями излучений в выделенной информативной частотной полосе, или новый образец из партии однотипных образцов контролируемого ЭЭО, или сам контролируемый образец на начальной стадии его эксплуатации, как это было в способе-прототипе [2], а использовать составной энергетический спектр, расширяющий таким образом количество имеющихся спектров однотипного оборудования, что позволяет облегчить процесс выделения признаков дефектов и увеличить точность диагностирования. Это, в свою очередь, создает возможность установления дефектности малого количества однотипного ЭЭО при его первичном обследовании, а также в случае очередного обследования, но при условиях работы, сильно отличающихся от предыдущих обследований контролируемого ЭЭО.
Признак «… и формируются на основании имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого оборудования, зарегистрированных в эквивалентных условиях, путем выделения среди упомянутых спектров наименьших интенсивностей электромагнитных колебаний для каждой измеренной частоты и формирования из этих интенсивностей единых энергетических спектров излучений вертикальной поляризации эталонного оборудования с сохранением соответствия между выбранными интенсивностями и принадлежащими им частотами» объясняет процесс формирования составных эталонных энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, использующихся для оценки степени дефектности основных конструктивных элементов контролируемого ЭЭО.
Выделение эталонного спектра из имеющихся энергетических спектров позволяет добиться более низкой чувствительности предлагаемого способа к воздействию паразитных сторонних излучений, что позволяет увеличить точность и повысить надежность в сравнении с прототипом. Этот эффект достигается использованием наименьших интенсивностей излучений на протяжении всего эталонного спектра, чего крайне редко удается добиться при использовании в качестве эталона информативных частотных полос реально существующих энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от однотипного контролируемого ЭЭО.
На фиг. 1 показано устройство высоковольтного силового автотрансформатора;
на фиг. 2 - энергетические спектры излучений вертикальной поляризации на частотах 5-35 МГц трех однотипных автотрансформаторов и их составного эталонного энергетического спектра:
а) АТ-1 фаза А;
б) АТ-1 фаза В;
в) АТ-1 фаза С;
г) эталон;
на фиг. 3 - энергетические спектры излучений вертикальной поляризации на частотах 108-198 МГц трех однотипных автотрансформаторов и их составного эталонного энергетического спектра:
а) АТ-1 фаза А;
б) АТ-1 фаза В;
в) АТ-1 фаза С;
г) эталон;
на фиг. 4 - энергетические спектры низкодобротных излучений вертикальной поляризации на частотах 5-35 МГц трех однотипных автотрансформаторов и их составного эталонного энергетического спектра:
а) АТ-1 фаза А;
б) АТ-1 фаза В;
в) АТ-1 фаза С;
г) низкодобротный эталон
и на фиг. 5 - энергетические спектры излучений вертикальной поляризации на частотах 108-198 МГц трех однотипных автотрансформаторов и их составного эталонного энергетического спектра:
а) АТ-1 фаза А;
б) АТ-1 фаза В;
в) АТ-1 фаза С;
г) низкодобротный эталон.
i
В заявляемом способе контроля технического состояния ЭЭО дефектность контролируемого оборудования, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению этого оборудования. Для этого сначала рассчитывают, применяя известные соотношения и программы ЭВМ (например, соотношения для расчета резонансных частот штыревых вибраторных антенн, такие как  где n - число натурального ряда, определяющее номер резонанса, h - высота излучающей части i-го конструктивного элемента, с - скорость света; а также программы для расчета и моделирования антенн, такие как MMANA-GAL, Altair FEKO, COMSOL Multiphysics, MATLAB и др.), резонансные частоты и информативные частотные полосы излучений основных конструктивных элементов этого оборудования.
Далее с помощью измерительного приемника, позволяющего регистрировать спектры электромагнитных излучений вертикальной поляризации в определенных ранее информативных частотных полосах, выделяют упомянутые информативные частотные полосы, характеризующие дефектности внешних и внутренних конструктивных элементов контролируемых ЭЭО.
Осуществляют процедуру фильтрации имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных от однотипного контролируемого оборудования, находящегося в эквивалентных условиях. Поскольку внешние конструктивные элементы ЭЭО имеют относительно низкую добротность (Q≈3,5), устранение высокодобротных излучений с энергетических спектров позволяет повысить их информативность для оценки степени дефектности внешних конструктивных элементов.
На основании имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных от однотипного контролируемого оборудования, находящегося в эквивалентных условиях, составляют энергетические спектры излучений эталонного оборудования. Для этого целесообразно использовать программы ЭВМ, позволяющие автоматизировано выделять для каждой измеренной частоты наименьшие интенсивности ЭМИ, встречающиеся на соответствующих частотах энергетических спектров всего однотипного контролируемого оборудования, находящегося в эквивалентных условиях, и из полученного массива частот и соответствующих им интенсивностей формировать энергетический спектр излучений эталонного оборудования.
При выполнении данного этапа с помощью программ ЭВМ (например, с помощью PTC Mathcad, Microsoft Office Excel и др.) процедура построения составного энергетического спектра займет значительно меньше времени, чем регистрация экспериментального энергетического спектра излучений вертикальной поляризации от одной единицы обследуемого оборудования.
Определяют значения квалификационных свойств квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, формируют критерии и устанавливают дефектность каждого основного конструктивного элемента контролируемого оборудования.
νi
Процедуру определения значений интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации, излучаемых в каждой из выделенных информативных частотных полос Δf, можно выполнить различными способами.
νi
Для определения значений интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации можно вычислить эти мощности напрямую, путем интегрирования энергетических спектров низкодобротных излучений в пределах каждой из выделенных информативных частотных полос Δf. Целесообразно осуществлять данную процедуру с помощью программ ЭВМ (например, с помощью PTC Mathcad, Microsoft Office Excel и др.) с целью получения максимальной точности при минимальных затратах времени.
С учетом полученных данных о дефектностях внешних и внутренних конструктивных элементов однотипного контролируемого оборудования, находящегося в эквивалентных условиях, разрабатывают критерии определения полных дефектностей и, применяя эти критерии, определяют полные дефектности контролируемого оборудования.
Заключение о степени дефектности основных конструктивных элементов контролируемого оборудования формируется на основании сравнения квалификационных свойств квазигармонических электромагнитных колебаний в одинаковых информативных частотных полосах для основных конструктивных элементов контролируемого и эталонного оборудования. В качестве квалификационных свойств электромагнитных колебаний могут использоваться значения интегральных мощностей, максимальных интенсивностей пиков, амплитуды отдельных спектральных линий, полимодальность, форма импульсов и т.д. Заключение о полной дефектности контролируемого оборудования формируется на основании полученных данных о дефектностях каждого из основных конструктивных элементов этого оборудования.
Практическую реализацию заявляемого способа контроля ТС ЭЭС продемонстрируем на примере диагностирования дефектности трех силовых высоковольтных однофазных автотрансформаторов типа АОДЦТН-167000/500/220, регистрация энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от которых происходила впервые, при отсутствии энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных от оборудования такого же типа при схожих условиях работы.
1
11*
11**
1
2
3
4
5
На фиг. 1 схематически изображено устройство автотрансформатора АОДЦТН-167000/500/220, соответствующее аналитической излучающей модели ЭЭО [3, 4], показаны конструктивные элементы, расположенные снаружи и внутри металлического корпуса автотрансформатора:1, 2 - высоковольтные (ВВ) вводы; 3, 4, 5 - низковольтные (НВ) вводы; 6 - основной металлический бак автотрансформатора (металлический корпус): 7 - металлический бак регулятора напряжения; 8 - высоковольтная обмотка S (S, S - верхняя и нижняя части обмотки S); 9 - высоковольтная обмотка S (основная); 10 - высоковольтная обмотка S (регулировочная); 11, 12 - низковольтные обмотки S (правая) и S (левая); 13, 14 - высоковольтные линии электропередачи; 15 - низковольтная линия электропередачи; 16 - высоковольтный регулятор напряжения R.
На фиг. 2а, 2б, 2в, 3а, 3б, 3в представлены результаты измерений энергетических спектров излучений вертикальной поляризации для трех автотрансформаторов указанного типа, зарегистрированные в частотных диапазонах 5-35 МГц и 108-198 МГц. Регистрация энергетических спектров излучений вертикальной поляризации от оборудования такого типа при эквивалентных данному случаю условиях, т.е. в схожих атмосферных условиях, одинаковых режимах эксплуатации ЭЭО и с применением единых метрических средств, ранее не производилась.
1
1
11
2
2
21
3
3
31
4
5
4
41
5
51
1
2
3
4
5
11
21
31
41
51
В контролируемых автотрансформаторах ВВ вводы 1, 2 имеют высоту H=h+h, H=h+h, НВ вводы 3, 4, 5 - H=h+h, H=H=h+h=h+h, где h, h, h, h, h - наружные и h, h, h, h, h - внутренние части вводов 1, 2, 3, 4, 5. Вводы 1, 2 имеют внешнюю полимерную изоляцию и внутреннюю RIP изоляцию. Вводы 3, 4, 5 имеют внешнюю фарфоровую изоляцию, внутреннюю масляную изоляцию и твердую изоляцию, нанесенную на поверхность проводящего стержня.
01
02
ВВ вводы 1 и 2, не имеющие масляного наполнения, с помощью проводов снижения с вертикальными проекциями h и h подключены к внешним ВВ линиям передачи 13, 14, проходящим на 20-метровой высоте от поверхности земли.
НВ вводы 3, 4, 5 имеют общее с баком автотрансформатора 6 масляное наполнение. При этом вводы 4, 5 подключены к НВ линии передачи 15, а ввод 3 заземлен снаружи автотрансформатора с помощью металлического провода, длина которого более 10 метров.
13
23
Основная электрическая мощность поступает в автотрансформатор через ВВ вводы 1, 2 и НВ заземленный ввод 3, действующее значение напряжения между которыми составляет U=500/√3 кВ (между вводами 1 и 3) и U=220/√3 кВ (между вводами 2 и 3).
45
НВ вводы 4, 5 предназначены для обслуживания местных потребителей, и действующее значение напряжения между ними составляет U=11 кВ.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
12
25
34
Внутри заполненного маслом основного металлического бака автотрансформатора 6 размещены следующие основные конструктивные элементы: три ВВ электрические обмотки (последовательная - S, основная - S и регулировочная S), две НВ электрические обмотки (правая - S, левая - S) и цилиндрический металлический бак 7, в котором находится ВВ регулятор напряжения R. Электрические обмотки S, S, S, S, S попарно связаны между собой электромагнитными связями M, M, M.
1
2
3
4
5
1
3
11
21
31
41
51
2
1
2
1
4
3
4
3
5
2
5
2
Внутренние конструктивные элементы автотрансформатора, обмотки S, S, S, S, S с основным баком 6 и регулятор напряжения R с его баком 7, вместе с частями вводов 1, 2, 3, 4, 5, расположенных снаружи и внутри бака 6, и отрезками соединительных проводников представляют собой совокупность внутренних и внешне-внутренних высокочастотных и сверхвысокочастотных колебательных цепей. При этом экраном для обмоток S, S и внутренних частей h, h, h, h, h вводов напряжений 1, 2, 3, 4, 5 служит металлический корпус основного прямоугольного бака автотрансформатора 6. Экраном для обмотки S является обмотка S (обмотка S расположена внутри обмотки S), экраном для обмотки S служит обмотка S (обмотка S расположена внутри обмотки S), экраном для обмотки S является обмотка S (обмотка S расположена внутри обмотки S). Экраном для ВВ регулятора напряжения R служит металлический корпус цилиндрического бака 7 с масляным наполнением, изолированным от масляного наполнения основного бака автотрансформатора 6.
i
На первом этапе реализации заявляемого способа контроля ТС ЭЭО рассчитывают, применяя соотношения для расчета резонансных частот штыревых вибраторных антенн  где n - число натурального ряда, определяющее номер резонанса, h - высота излучающей части i-го конструктивного элемента, с - скорость света; а также программу для расчета и моделирования антенн MMANA-GAL, резонансные частоты и информативные частотные полосы излучений антенн вертикальной поляризации, состоящих из наружных вертикальных частей, изолированных от металлического корпуса контролируемого ЭЭО, проводов вводов этого оборудования, а также резонансные частоты и оптимальные информативные частотные полосы каждого внутреннего конструктивного элемента контролируемого ЭЭО, включая и сам металлический корпус, расположенные внутри одной или нескольких соседних информативных частотных полос излучений вышеуказанных антенн вертикальной поляризации.
Получены следующие результаты для основных конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов.
1
2
3
4
5
Значения информативных частотных полос основных (первых) резонансов излучений антенн вертикальной поляризации, образованных вертикальными частями вводов высотой h, h, h, h, h:
ν1
Δf = 15,2 - 20,2 МГц;
ν2
Δf = 23,6 - 31,6 МГц;
ν3
Δf = 109 - 145 МГц;
ν4,5
Δf = 145,5 - 194,5 МГц.
1
2
3
4
5
Квазигармонические электромагнитные колебания внутренних конструктивных элементов выводятся во внешнее пространство антеннами вертикальной поляризации, образованными вводами автотрансформаторов и спусками к ним. Значения оптимальных информативных частотных полос излучений внутренних конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов, включая обмотки S, S, S, S, S с основным баком 6 и регулятор напряжения R с его баком 7:
S1
Δf = 8 - 10,8 МГц;
S2
Δf = 10,8 - 13,2 МГц;
S3
Δf = 13,2 - 14,4 МГц;
S4
Δf = 14,4 - 17,4 МГц;
S5
Δf = 17,9 - 20,5 МГц;
H
Δf = 31,6 - 33 МГц;
R
Δf = 176 - 187 МГц.
Полученные значения схожи с аналогичными значениями, приведенными в способе-прототипе [2], что говорит о близости геометрических размеров контролируемых автотрансформаторов в заявляемом способе и способе-прототипе.
На втором этапе с помощью измерительного приемника, состоящего из анализатора спектра NS-30a и логопериодической антенны Дельта Н311-01, позволяющего регистрировать спектры электромагнитных излучений вертикальной поляризации в определенных ранее информативных частотных полосах, выделяют упомянутые информативные частотные полосы, характеризующие дефектности внешних и внутренних конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов.
На фиг. 2а, 2б, 2в, 3а, 3б, 3в представлены экспериментальные энергетические спектры излучений вертикальной поляризации для трех автотрансформаторов АТ-1 ф.А, АТ-1 ф.В, АТ-1 ф.С, зарегистрированные в частотных диапазонах 5-35 МГц и 108-198 МГц соответственно.
В верхних частях фиг. 2а, 3а нанесены обозначения информативных частотных полос излучений внешних и внутренних конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов.
На третьем этапе осуществляется процедура фильтрации имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных от автотрансформаторов АТ-1 ф.А, АТ-1 ф.В, АТ-1 ф.С в эквивалентных условиях. Поскольку внешние конструктивных элементы ЭЭО имеют относительно низкую добротность (Q≈3,5), устранение высокодобротных излучений с энергетических спектров позволяет повысить их информативность для оценки степени дефектности внешних конструктивных элементов.
В случае фиг. 2 и 3 целесообразно использовать следующий рекурсивный фильтр второго порядка:
где  и  - i-е значения исходного и низкодобротного энергетических спектров соответственно;
A - коэффициент, соответствующий настройкам измерительной аппаратуры при регистрации ЭМИ на определенном участке частот;
- частотный интервал между соседними значениями спектра, МГц;
n = 2 - порядок фильтра.
Полученные энергетические спектры низкодобротных излучений представлены на фиг. 4а, 4б, 4в, 5а, 5б, 5в.
На четвертом этапе, на основании имеющихся энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных от автотрансформаторов АТ-1 ф.А, АТ-1 ф.В, АТ-1 ф.С в эквивалентных условиях, составляют энергетические спектры излучений эталонного оборудования
Для примера рассмотрим процесс построения энергетического спектра излучений эталонного оборудования на частоте 50 МГц. Среди имеющихся энергетических спектров излучений автотрансформаторов АТ-1 ф.А, АТ-1 ф.В, АТ-1 ф.С (фиг. 2а, 2б, 2в, 3а, 3б, 3в) частоте 50 МГц соответствуют следующие интенсивности ЭМИ:
- АТ-1 ф.А: минус 154,077 дБВт/Гц;
- АТ-1 ф.В: минус 153,078 дБВт/Гц;
- АТ-1 ф.С: минус 154,516 дБВт/Гц.
Наименьшей для данной частоты является интенсивность ЭМИ автотрансформатора АТ-1 ф.С. Следовательно, энергетический спектр излучений эталонного оборудования на частоте 50 МГц будет иметь значение интенсивности ЭМИ минус 154,516 дБВт/Гц.
На фиг. 2г, 3г представлены составные энергетические спектры излучений эталонного автотрансформатора (эталона), а на фиг. 4г, 5г представлены составные энергетические спектры низкодобротных излучений эталонного автотрансформатора (низкодобротного эталона), построенные в частотных диапазонах 5-35 МГц и 108-198 МГц.
На пятом этапе определяют значения квалификационных свойств квазигармонических электромагнитных колебаний в информативных частотных полосах энергетических спектров излучений вертикальной поляризации, формируют критерии и устанавливают дефектность каждого основного конструктивного элемента контролируемых автотрансформаторов.
νi
В качестве квалификационных свойств, характеризующих дефектность основных внешних конструктивных элементов автотрансформаторов, будем использовать значения интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации, излучаемых в каждой из выделенных информативных частотных полос Δf, где i - порядковый номер ввода.
νi
al
al
Процедуру определения значений интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации, излучаемых в каждой из выделенных информативных частотных полос Δf, можно выполнить различными способами. В прототипе [2] использовался способ, предлагающий определять значения интегральных мощностей путем регистрации числа пиков излучений с интенсивностями, равными и выше граничного уровня γ. Выбор же значения самого граничного уровня γ производится так, чтобы применительно к уже имеющимся экспериментальным данным получить не менее трех различимых градаций дефектностей «i»-х вводов исследуемых автотрансформаторов. Этот способ не подходит к данному случаю главным образом по причине отсутствия достоверных сведений о фактических дефектностях контролируемых автотрансформаторов. В отличие от случая прототипа [2] все три автотрансформатора имеют одинаковый срок службы и вполне могут иметь одинаковый уровень дефектности.
νi
Для определения значений интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации можно вычислить эти мощности напрямую, путем интегрирования энергетических спектров низкодобротных излучений в пределах каждой из выделенных информативных частотных полос Δf. Данная процедура выполнена с помощью программы Microsoft Office Excel с целью получения максимальной точности при минимальных затратах времени.
νi
В результате вычислений получены следующие значения интегральных мощностей энергетических спектров низкодобротных излучений вертикальной поляризации, зарегистрированных в каждой из выделенных информативных частотных полос Δf.
ν1
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 1:
-9
- АТ-1 фаза А - 8,331⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза В - 1,572⋅10 Вт;
-9
- АТ-1 фаза С - 5,285⋅10 Вт;
-9
- низкодобротный эталон - 5,009⋅10 Вт.
ν2
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 2:
-9
- АТ-1 фаза А - 5,189⋅10 Вт;
-9
- АТ-1 фаза В - 4,886⋅10 Вт;
-9
- АТ-1 фаза С - 3,550⋅10 Вт;
-9
- низкодобротный эталон - 3,031⋅10 Вт.
ν3
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 3:
-8
- АТ-1 фаза А - 2,247⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза В - 1,466⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза С - 1,241⋅10 Вт;
-8
- низкодобротный эталон - 1,107⋅10 Вт.
ν4,5
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние вводов 4 и 5:
-8
- АТ-1 фаза А - 1,441⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза В - 1,336⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза С - 1,325⋅10 Вт;
-8
- низкодобротный эталон - 1,234⋅10 Вт.
νi
С учетом полученных данных и накопленного опыта в применении заявляемого способа контроля технического состояния электроэнергетического оборудования можно сформулировать следующие критерии для определения дефектностей «i»-х вводов контролируемых автотрансформаторов по их низкодобротным излучениям вертикальной поляризации в информативных частотных полосах Δf:
- слабая дефектность ввода - интегральная мощность низкодобротных излучений вертикальной поляризации в информативной частотной полосе «i»-го ввода контролируемого автотрансформатора превышает аналогичную интегральную мощность низкодобротного эталона менее чем в 3 раза;
- умеренная дефектность ввода - интегральная мощность низкодобротных излучений вертикальной поляризации в информативной частотной полосе «i»-го ввода контролируемого автотрансформатора превышает аналогичную интегральную мощность низкодобротного эталона в 3-8 раз;
- сильная дефектность ввода - интегральная мощность низкодобротных излучений вертикальной поляризации в информативной частотной полосе «i»-го ввода контролируемого автотрансформатора превышает аналогичную интегральную мощность низкодобротного эталона более чем в 8 раз.
νi
Для определения дефектности «i»-х вводов исследуемых автотрансформаторов запишем кратности интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации в информативных частотных полосах Δf.
ν1
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 1:
- АТ-1 фаза А - превышение эталонного значения в 1,66 раза;
- АТ-1 фаза В - превышение эталонного значения в 3,14 раза;
- АТ-1 фаза С - превышение эталонного значения в 1,06 раза.
ν2
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 2:
- АТ-1 фаза А - превышение эталонного значения в 1,71 раза;
- АТ-1 фаза В - превышение эталонного значения в 1,61 раза;
- АТ-1 фаза С - превышение эталонного значения в 1,17 раза.
ν3
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 3:
- АТ-1 фаза А - превышение эталонного значения в 2,03 раза;
- АТ-1 фаза В - превышение эталонного значения в 1,32 раза;
- АТ-1 фаза С - превышение эталонного значения в 1,12 раза.
ν4,5
Для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние вводов 4 и 5:
- АТ-1 фаза А - превышение эталонного значения в 1,17 раза;
- АТ-1 фаза В - превышение эталонного значения в 1,08 раза;
- АТ-1 фаза С - превышение эталонного значения в 1,07 раза.
Применяя сформированные критерии к экспериментальным данным, получим следующие оценки для дефектностей вводов исследуемых однотипных автотрансформаторов:
- АТ-1 фаза А: дефектности всех вводов - слабые;
- АТ-1 фаза В: дефектность ввода 1 - умеренная, дефектности остальных вводов - слабые;
- АТ-1 фаза С: дефектности всех вводов - слабые.
νi
νi
Отметим, что сравнение кратностей интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации, излучаемых в каждой из выделенных информативных частотных полос Δf, без проведения фильтрации спектров от высокодобротных излучений и при отсутствии составного эталонного спектра, как это подразумевалось в прототипе [2], неизбежно заставило бы принимать за эталон участок спектра ЭМИ имеющегося автотрансформатора с наименьшей интегральной мощностью в пределах конкретной частотной полосы Δf, а сами значения интегральной мощности были бы больше на величину от 3 до 725 процентов.
ν1
Например, для информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 1, были бы получены следующие значения интегральных мощностей энергетических спектров излучений вертикальной поляризации:
-8
- АТ-1 фаза А - 6,877⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза В - 3,834⋅10 Вт;
-8
- АТ-1 фаза С (эталон) - 3,539⋅10 Вт.
ν1
При этом степень дефектности каждого ввода контролируемого оборудования была бы оценена как слабая, а кратность интегральных мощностей электромагнитных колебаний вертикальной поляризации в информативной частотной полосы Δf, характеризующей техническое состояние ввода 1, для АТ-1 фазы В составляла бы всего 1,08. Такая разница в результатах вызвана присутствием на энергетических спектрах излучений АТ-1 фазы С значительного числа высокодобротных излучений, не относящихся к техническому состоянию ввода 1 автотрансформатора.
Таким образом, проведение процедуры фильтрации и применение составного эталонного энергетического спектра излучений вертикальной поляризации позволило повысить не только точность и надежность, но и качество выявления дефектов вводов на примере контролируемых автотрансформаторов.
Kj
j
В качестве квалификационных свойств, характеризующих дефектность основных внутренних конструктивных элементов автотрансформаторов, будем использовать значения максимальных интенсивностей пиков электромагнитных колебаний в оптимальных информативных частотных полосах Δf для каждого K-го внутреннего конструктивного элемента, где K обозначает тип элемента, j - его порядковый номер.
S1
1
11
11
*
**
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние ВВ обмотки S (и частей S, S этой обмотки), в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 136,83 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 143,91 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 140,83 дБВт/Гц;
- эталон: минус 147,22 дБВт/Гц.
S2
2
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние ВВ обмотки S, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 134,27 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 141,69 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 140,66 дБВт/Гц;
- эталон: минус 145,52 дБВт/Гц.
S3
3
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние ВВ обмотки S, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 123,18 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 139,08 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 141,25 дБВт/Гц;
- эталон: минус 145,30 дБВт/Гц.
S4
4
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние НВ обмотки S, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 121,18 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 125,91 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 134,15 дБВт/Гц;
- эталон: минус 137,11 дБВт/Гц.
S5
5
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние НВ обмотки S, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 144,13 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 139,77 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 140,55 дБВт/Гц;
- эталон: минус 145,38 дБВт/Гц.
Н
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние основного бака 6, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 2):
- АТ-1 фаза А: минус 147,71 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 147,27 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 148,96 дБВт/Гц;
- эталон: минус 150,85 дБВт/Гц.
R
Максимальные интенсивности пиков электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf, характеризующей техническое состояние ВВ регулятора напряжения R с баком 7, в энергетических спектрах излучений вертикальной поляризации контролируемых автотрансформаторов составляют (см. фиг. 3):
- АТ-1 фаза А: минус 150,21 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза В: минус 150,24 дБВт/Гц;
- АТ-1 фаза С: минус 150,65 дБВт/Гц;
- эталон: минус 152,49 дБВт/Гц.
Kj
С учетом полученных данных и накопленного опыта в применении заявляемого способа контроля технического состояния электроэнергетического оборудования можно сформулировать следующие критерии для определения дефектностей внутренних Kj-х конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов по их ЭМИ вертикальной поляризации в информативных частотных полосах Δf, аналогичные способу-прототипу [2]:
- слабая дефектность - максимальные интенсивности пиков излучений менее чем на 20 дБ превышают аналогичные в спектре эталонного образца;
- умеренная дефектность - максимальные интенсивности пиков излучений на 20-40 дБ превышают аналогичные в спектре эталонного образца;
- сильная дефектность - максимальные интенсивности пиков излучений более чем на 40 дБ превышают аналогичные в спектре эталонного образца.
Используя сформированные критерии, определим дефектности всех основных внутренних конструктивных элементов в контролируемых автотрансформаторах:
1
2
4
5
3
- АТ-1 фаза А: дефектности ВВ обмоток S, S, НВ обмоток S, S, заземленного основного бака автотрансформатора 6 и ВВ регулятора напряжения R с баком 7 - слабые; дефектность ВВ обмотки S - умеренная;
1
2
3
4
5
- АТ-1 фаза В: дефектности ВВ обмоток S, S, S, НВ обмоток S, S, заземленного основного бака автотрансформатора 6 и ВВ регулятора напряжения R с баком 7 - слабые;
1
2
3
4
5
- АТ-1 фаза С: дефектности ВВ обмоток S, S, S, НВ обмоток S, S, заземленного основного бака автотрансформатора 6 и ВВ регулятора напряжения R с баком 7 - слабые.
Отметим, что в случае отсутствия составного эталонного энергетического спектра, как это подразумевалось в способе-прототипе [2], значения максимальных интенсивностей пиков излучений эталонных участков реальных энергетических спектров были бы выше:
S1
- для Δf - на 3,31 дБ;
S2
- для Δf - на 3,83 дБ;
S3
- для Δf - на 4,05 дБ;
S4
- для Δf - на 2,96 дБ;
S5
- для Δf - на 1,25 дБ;
Н
- для Δf - на 1,89 дБ;
R
- для Δf - на 1,84 дБ.
S3
3
При этом максимальная интенсивность пика электромагнитных колебаний в оптимальной информативной частотной полосе Δf для ВВ обмотки S в энергетическом спектре автотрансформатора АТ-1 ф.А превышала бы эталонное значение только на 18,07 дБ (а не на 22,12, как в заявляемом способе), что характеризовало бы дефектность обмотки как слабую, а не умеренную.
Таким образом, применение составного эталонного энергетического спектра излучений вертикальной поляризации позволило повысить не только точность и надежность, но и качество выявления дефектов внутренних конструктивных элементов ЭЭО на примере контролируемых автотрансформаторов.
На шестом этапе с учетом полученных данных о дефектностях внешних и внутренних конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов разрабатывают критерии определения полных дефектностей и, применяя эти критерии, определяют полные дефектности контролируемых автотрансформаторов.
На основе полученных выше данных о дефектностях внешних и внутренних конструктивных элементов контролируемых автотрансформаторов можно сформулировать следующие критерии для определения их полных дефектностей, аналогичные способу-прототипу [2]:
- слабая полная дефектность автотрансформатора соответствует слабым дефектностям всех его основных конструктивных элементов;
- умеренная полная дефектность автотрансформатора соответствует умеренным дефектностям 1-12 его основных конструктивных элементов при слабых дефектностях остальных конструктивных элементов;
- сильная полная дефектность автотрансформатора соответствует сильным дефектностям 1-6 его основных конструктивных элементов при слабых и (или) умеренных дефектностях остальных конструктивных элементов;
- опасная полная дефектность автотрансформатора соответствует сильным дефектностям 7-12 его основных конструктивных элементов при слабых и (или) умеренных дефектностях остальных конструктивных элементов.
Используя полученные критерии, определим полные дефектности контролируемых автотрансформаторов.
1
2
4
5
3
- АТ-1 фаза А: дефектности вводов 1, 2, 3, 4, 5, обмоток S, S, S, S, основного бака автотрансформатора 6 и ВВ регулятора напряжения R с баком 7 - слабые; дефектность обмотки S - умеренная; полная дефектность - умеренная;
1
2
3
4
5
- АТ-1 фаза В: дефектности вводов 2, 3, 4, 5, обмоток S, S, S, S, S, основного бака автотрансформатора 6 и ВВ регулятора напряжения R с баком 7 - слабые; дефектность ввода 1 - умеренная; полная дефектность - умеренная;
- АТ-1 фаза С: дефектности всех основных конструктивных элементов - слабые; полная дефектность - слабая.
Отметим, что в случае отсутствия составного эталонного энергетического спектра, а также без проведения фильтрации энергетических спектров для оценки технического состояния внешних конструктивных элементом, как это подразумевалось в способе-прототипе [2], полная дефектность автотрансформаторов АТ-1 ф.А и АТ-1 ф.В была бы оценена как слабая, а не умеренная.
Таким образом, выводы, сделанные на основе анализа измеренных энергетических спектров излучений вертикальной поляризации и определения с применением заявляемого способа контроля технического состояния электроэнергетического оборудования дефектностей основных внутренних и внешних конструктивных элементов и полных дефектностей контролируемых автотрансформаторов, качественно уточняют и дополняют выводы, которые были бы получены при применении способа-прототипа [2]. Полученные выводы находятся в хорошем согласии с результатами регламентных испытаний по оценке технического состояния рассмотренных в данном примере автотрансформаторов, проведенными согласно [5, 6].
Приведенный пример реализации заявляемого способа контроля технического состояния электроэнергетического оборудования показывает его преимущества в сравнении со способом-прототипом [2] в плане повышения надежности диагностирования дефектности контролируемого оборудования благодаря увеличению точности оценки технического состояния его конструктивных элементов.
Из сказанного следует, что заявляемый способ контроля технического состояния ЭЭО обладает, в сравнении с прототипом [2] и аналогом [1], достаточной новизной, увеличенной точностью и повышенной надежностью диагностирования, дает возможность установления дефектности малого количества однотипного ЭЭО при его первичном обследовании, а также в случае очередного обследования, но при сильно отличающихся от предыдущих обследований условиях работы.
Источники информации
1. Патент RU 2311652, опубл. 27.11.2007 - аналог.
2. Патент RU 2426997, опубл. 20.08.2011 - прототип.
3. Klokov V., Losev V., Popovich A., Silin N. Emitting model of the power electric equipment. Proceedings of the 8-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. S.Petersburg, June 16-19, 2009 (pp. 36-38).
4. Klokov V., Losev V., Popovich A., Silin N. Diagnostics of power electric equipment according to its parasite electromagnetic radiation. Proceedings of the 8-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. S.Petersburg, June 16-19, 2009 (pp. 36-38).
5. РД 153-34.0-46.302-00. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. - Москва, 2001. - 42 с.
6. СТО 34.01-23.1-001-2017 Объем и нормы испытаний электрооборудования. - ПАО Россети, 2017. - 262 с.