Оптоэлектронный прибор для определения мест коронных разрядов на электрооборудовании

УДК 621.314

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ КОРОННЫХ РАЗРЯДОВ НА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

В.К. КОЗЛОВ, И.Н. ЛИЗУНОВ Казанский государственный энергетический университет

В статье приводятся результаты лабораторных и натурных испытаний оптоэлектронного прибора, предназначенного для детектирования точек местных коронных разрядов на электрооборудовании (ЭО). Показана работоспособность и эффективность предложенного способа детектирования корон на ЭО. Представлены характеристики макета оптоэлектронного прибора, который разработан и собран из недорогих и общедоступных элементов, отвечающего лучшим современным аналогам УФ-диагностики.

Ключевые слова: высоковольтное электрооборудование, надежность электроснабжения, инспекция высоковольтного электрооборудования, дефекты оборудования, оптические приборы, коронный разряд, оптическое излучение коронного разряда, УФ-диагностика, УФ-камера, солнечно-слепой диапазон, техническая диагностика.

В электроэнергетике надежность электроснабжения является одной из самых важных характеристик работы, которая определяет, в свою очередь, множество параметров электроэнергетических систем и сетей, в том числе стоимость оборудования, ремонтных и эксплуатационных расходов.

Существенно снизить затраты на обеспечение работоспособности, продлить срок службы дорогостоящего энергетического оборудования на предприятиях и, соответственно, повысить надежность позволяет техническая диагностика.

С помощью технической диагностики можно выявлять дефекты оборудования (в том числе скрытые) на ранних стадиях и предотвращать возникновение аварий и ненормальных режимов работы. Кроме того, техническая диагностика позволяет наиболее эффективно и экономично планировать ремонтные и профилактические работы на ЭО, объективно обосновывать проведение модернизации и технической политики на предприятиях [1, 2].

Коронный разряд (корона) - разновидность тлеющего разряда; возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Местная корона обычно связана с местным дефектом, который при соответствующих условиях может стать (или уже является) причиной различного рода неполадок или даже отключения всей электроустановки (ЭУ). Детектирование таких разрядов (как один из видов технической диагностики ЭО) может повысить надежность электроснабжения и уменьшить потери на корону [3].

Оптический способ детектирования коронных разрядов на ЭО является самым распространенным и эффективным способом технической диагностики, связанным с определением точек местных корон на ЭО.

Оптоэлектронный способ определения точек местных коронных разрядов на электрооборудовании

Предложенный в работе оптоэлектронный способ детектирования основан на оптической и дополнительной электронной обработке излучения от коронных разрядов на ЭО, работающем на стандартной промышленной частоте 50 Гц. Такое решение позволяет детектировать коронный разряд на ЭО, в том числе и в

© В.К. Козлов, И.Н. Лизунов

Проблемы энергетики, 2011, № 3-4

светлое время суток, при полной солнечной засветке с приемлемой чувствительностью.

Для выявления работоспособности предложенного способа и определения его эффективности разработан и собран макет оптоэлектронного прибора, предназначенный для детектирования корон по предложенному способу и состоящий, соответственно, из оптической и электронной части.

Работа оптической части макета основана на оптической фильтрации жесткого УФ излучения от коронных разрядов с помощью стандартного УФ-фотодиода с полосой пропускания от 200 до 400 нм. Поскольку в так называемом солнечно-слепом диапазоне (230-290 нм) на поверхности Земли отсутствует излучение от солнца, УФ-фотодиод помимо шумовой засветки (диапазон жесткого УФ) фиксирует оптическое излучение, сопровождающее «горение» корон на ЭО. В качестве фоточувствительного элемента в макете использован общедоступный и относительно недорогой УФ-фотодиод TW30SX, фирмы Sander Electronic (Германия).

Выделение полезного сигнала от УФ-фотодиода с высоким показателем сигнал/шум осуществляется в электронной части макета. Электронная часть макета состоит из аналоговой и цифровой подсистем.

Используя особенности и периодичность возникновения вспышек местных коронных разрядов биполярного режима, аналоговая подсистема электронной части прибора выделяет и усиливает первую 100-Гц гармонику спектра электрического сигнала с УФ-фотодиода, на который попадает излучение от короны.

Такая фильтрация осуществляется с помощью последовательно подключенных схем трансимпендансного усилителя, двух активных фильтров на основе конвекторов полного сопротивления, дополнительного усилительного каскада и масштабного усилителя. Последний необходим для согласования выхода аналоговой с входом цифровой подсистем.

В цифровой подсистеме электронной части осуществляется дополнительная цифровая обработка сигнала, заключающаяся в оцифровке входного сигнала, дополнительной фильтрации посредством подпрограммы цифрового нерекурсивного фильтра (/¿=100 Гц) и вывода действующего значения 100-Гц гармоники на жидкокристаллический индикатор. Для этого разработана и записана в микроконтроллер цифровой подсистемы соответствующая ассемблер-программа.

Цифровая подсистема состоит из микроконтроллера Atmega8L, фирмы Atmel, со встроенным 8-канальным 10-разрядным АЦП и 8-Кбайтным ППЗУ.

Схема разработанного оптоэлектронного прибора для детектирования коронных разрядов на ЭО показана на рис. 1.

фотодиод TW30SX

Электрическая схема получения и обработки

3

сигнала, а гак же вывода результата на ЖК-индикатор

основание

Рис. 1. Схема макета оптоэлектронного прибора

400

Лабораторные испытания макета оптоэлектронного прибора

Лабораторные испытания макета проводились с помощью установки «Игла-плоскость».

Во время проведения испытаний на стальной штырь установки «Игла-плоскость» подается переменное 50-Гц напряжение от 10 кВ до 30 кВ от трансформатора аппарата испытательного АИД-70/50. Диск установки («Плоскость») заземляется через контур заземления лаборатории. В результате заостренный кончик штыря («Игла») коронирует с интенсивностью в зависимости от поданного напряжения, а также сложившихся в лаборатории метеоусловий. Макет оптоэлектронного прибора при проведении лабораторных измерений устанавливался на расстояния от 0,5 до 3,0 м от коронирующей «Иглы», за защитной решеткой лабораторного стенда.

Плавно регулируя подаваемое напряжение на «Игле», устанавливаются зависимости показаний макета прибора от напряжения на установке. Изменяя расстояние от макета прибора до «Иглы», строятся семейства характеристик, определяющие дальность и поле зрения макета (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость показаний макета прибора от расстояния Ь до «Иглы», при напряжении на «Игле» иигл = 18 кВ. Испытания в Высоковольтной лаборатории КГЭУ.

В результате проведенных лабораторных испытаний установлено:

- показания макета находятся в пределах от 24 мВ до 200 мВ, минимальные показания определяются «темновым током» электрической части макета, который не зависит от внешних условий и равен 24 мВ.;

- максимум показаний макета прибора выявлен на расстоянии 1 м от кончика «Иглы» до входного коллиматора, что обусловлено настройкой оптической части макета (расстояние между линзой и УФ-фотодиодом в макете).

Лабораторные испытания макета проводились в течение трех месяцев, что позволило провести статистический анализ полученных характеристик макета.

Статистическая обработка, заключающаяся в расчете математического ожидания тх, среднего квадратичного отклонения (СКО) сх, коэффициента вариации V и ее оценки (у < 33%), показывает, что выборку результатов лабораторных испытаний можно считать однородной, т.е. полученной из одной генеральной совокупности, а рассеяние выборок относительно среднего значения находится на приемлемом уровне (< 33%).

Таким образом, в результате лабораторных испытаний выявлено, что макет прибора действительно позволяет зафиксировать местную корону с

эффективностью, зависящей от напряжения на коронирующем элементе, расстояния до коронирующего элемента и условий окружающей среды (температура, влажность, давление, потоки воздуха и т.д.).

Натурные испытания макета оптоэлектронного прибора

Натурные испытания макета оптоэлектронного прибора были проведены на следующих объектах: ОРУ и подходы к ним на ТЭЦ 2 и ТЭЦ 3 ОАО «Генерирующая компания» (РТ), подстанции «Киндери», «Аэропорт», «Магистральная» ОАО «Сетевая компания» (РТ).

При проведении экспериментов на объектах совместно с макетом оптоэлектронного прибора использовалась цифровая фотокамера с зеркальным объективом. Осуществляя фотографирование ранее выявленных макетом точек местных корон на ЭО, фотокамера позволяла визуализировать выявленные дефекты и окончательно убедиться в работоспособности предложенного метода и макета прибора. Отметим, что фотографирование ранее выявленных макетом местных корон происходило только в темное время суток, в режиме накопления светового потока ПЗС-матрицей фотоаппарата (не менее 3 минут) и не менее чем с 5-ти кратным оптическим увеличением.

В качестве примера в таблице указаны зафиксированные показания макета оптоэлектронного прибора при проведении экспериментов на одной из действующих ЭУ (Подходы к ОРУ 110 кВ и ОРУ 220 кВ Казанской ТЭЦ-3 ОАО «Генерирующая компания», РТ).

Таблица

Показания макета оптоэлектронного прибора при испытаниях на Казанской ТЭЦ-3

Объект Расстоян ие от короны до макета, м Показания макета, мВ Показания макета при отсутствии излучения короны, мВ

днем ночью днем ночью

Подвес провода фазы «В» опоры двухцепной ЛЭП 110 кВ - - 29,67 - 24

Подвес провода фазы «С» опоры двухцепной ЛЭП 110 кВ 21 31 31,33 29,67 24

Гирлянда изоляторов фазы «А» траверсы ОРУ 220 кВ 7,5 38,67 38,1 31 33

Натурные испытания в реальных условиях, на действующих электроэнергетических объектах показали:

1. Макет оптоэлектронного прибора позволяет зафиксировать местную корону на действующих ЭУ как в темное, так и в светлое время суток с приемлемой чувствительностью.

2. Чувствительность макета зависит от световой засветки точек коронирования на ЭУ источниками света промышленной частоты, т.е. от наличия и удаленности от ламп накаливания, прожекторов и т.п.

3. Чувствительность макета зависит от расстояния от входного коллиматора прибора до точек коронирования и их кучности, т.е. их количества

на см2.

4. Интенсивность коронирования в одних и тех же точках, на одних и тех же ЭУ сильно зависит от времени года, наличия или отсутствия осадков, влажности, тумана, температуры окружающей среды.

Выводы

1. Предложенный оптоэлектронный способ детектирования коронных разрядов на ЭО является работоспособным и эффективным.

2. Макет оптоэлектронного прибора, разработанный согласно предложенному способу, позволяет выявлять точки местных коронных разрядов на действующих ЭУ с приемлемой чувствительностью, в том числе и в светлое время суток.

Summary

In text is shows results of lab and real tests the model of optical device "Corona". This model of optical device "Corona" detects coronas on real electric equipments in a daytime with enough sensitive. It provides optical and special electronic filters. This filters sorts of radiation of corona with high factor signal/noise.

Also in text describes the model of optical device "Corona" design and shows its characteristics.

Key words: high-voltage equipments, safety of electro power supply, inspection of high-voltage equipments, defects of equipments, optical devices, corona discharge, optical radiation of corona, UV-diagnostics, UV-camera, Solar blind range, technical diagnostics.

Литература

1. Пархоменко П.П. Основы технической диагностики. М.: Энергия, 1976.

460 с.

2. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 240 с.

3. Левитов В.И. Корона переменного тока. М.: Энергия, 1975. 280 с.

Поступила в редакцию 27января 2011 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-72.

Лизунов Игорь Николаевич - старший преподаватель кафедры «Электрические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-72. E-mail: Nebkoue@yandex.ru.