СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ИМЕЮЩЕГО ИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПРОМЕЖУТОК И ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ, ИЗОЛИРОВАННЫХ МЕЖДУ СОБОЙ ЖИДКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTION OF ELECTRIC EQUIPMENT AGAINST BREAKDOWN, HAVING INSULATION GAP AND SURFACES OF ELECTRODES ISOLATED FROM EACH OTHER BY LIQUID DIELECTRIC

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, оно относится к методам (способам) защиты (упреждения) в режиме реального времени от электрического пробоя высоковольтных трансформаторов, трансформаторов тока и другого электротехнического оборудования, заполненного жидким диэлектриком.
Уровень техники
Электрическая прочность жидкого диэлектрика прямо не связана с удельной проводимостью или диэлектрическими потерями, но также сильно зависит от присутствия примесей. Электрическая прочность изоляционного промежутка, заполненного жидким диэлектриком, как правило, уменьшается с увеличением растворенных в нем воды, газов и других кислородных органических соединений, возникающих как от энергетического воздействия, так и в результате его старения [1]. Зависимость установить сложно. Разбросы в определении электрической прочности велики [2]. И многое зависит от природы изоляционной жидкости, а для минерального масла - от его структурно-группового состава. За счет возможности образовывать заряженные мицеллы и проводящие мостики вода оказывает более существенное влияние на пробой масла в том случае, если она находится в коллоидном состоянии.
Каким бы путем не проводился диагностический контроль, для решения вопросов о работоспособности и остаточном ресурсе электротехнического оборудования необходимо располагать критериями предельного состояния (КПС) [1]. В силу объективных причин [1, 2] точно предсказать момент пробоя жидкого диэлектрика невозможно, поэтому в значения КПС электротехнического оборудования приходится закладывать чрезвычайно большие коэффициенты запаса. И, тем не менее, электрические пробои происходят.
В настоящее время для оценки работоспособности электротехнического оборудования производятся периодические (от 1 раза в год) измерения электротехнических свойств жидкого диэлектрика путем отбора его проб. По измеренным значениям этих свойств принимают решение о замене жидкого диэлектрика или о продлении срока работы. В оборудовании, находящемся в эксплуатации, проводятся также периодически и другие измерения свойств электроизоляционных промежутков, например емкостным методом определяется сопротивление изоляции электродов относительно корпуса, методом подачи тестирующего напряжения пробоя и др. методами. Все эти методы требуют отключения оборудования от нагрузки. Некоторые виды испытаний требуют даже демонтаж электротехнического оборудования и вывоз его на испытательные полигоны.
Такие методы диагностики нельзя признать оперативными, надежными и дешевыми. Произошедшие аварии на трансформаторных подстанциях и последующий анализ причин аварий показали неэффективность такого способа защиты электротехнического оборудования с жидким диэлектриком. Причинами аварий были электрические пробои, которые во многих случаях приводили к разрушению корпусов трансформаторов. Как следствие, возникали значительные убытки, экологические загрязнения, страх у близко живущего населения. Во всех авариях обнаружение электрического пробоя происходило только после того, как он произошел.
В [3, 4] показано, что начало пробоя предопределено наличием пузырьков, которые возникают за счет кипения воды, находящейся в жидком диэлектрике при протекании тока, либо за счет кавитации под действием электростатических или кулоновских сил. Кроме того, в жидком диэлектрике могут существовать микропузырьки еще до воздействия напряжения. Газовая фаза может состоять из воздуха и других газов, появившихся в жидком диэлектрике в результате его производства, хранения и эксплуатации. Наличие микрорельефа на поверхности электродов, а именно пор и выступов, способствует образованию стабильных микропузырьков. Поэтому в обычных условиях в электротехническом оборудовании пузырьки микронных размеров всегда присутствуют на электродах. Ясно, что в высоковольтных устройствах наличие пузырьков газа на поверхности электродов и изоляторов создает условия для развития первичных ионизационных процессов и приводит к снижению рабочего напряжения.
Из опытов [4, 5] исследования электрического пробоя в жидкостях показано, что место пробоя с поверхности электрода стимулируется образовавшимся на этом месте пузырьком газа или возникшим "темным образованием". Перед пробоем пузырек или "темное образование" вытягиваются в направлении электрического поля, и из его вершины образуется первый стример, который образует через череду последующих стримеров канал пробоя, и, как следствие, происходит короткое замыкание электродов. Обнаружены [4] различия в скоростях протекания предпробивных процессов на поверхности электрода в зависимости от того, является ли он катодом или анодом непосредственно перед самим пробоем, а также от наличия изначального пузырька на поверхности электрода или в условиях отсутствия такового. На начальной стадии, до 0,4÷0,5 мкс, анодные и катодные пузырьки удлиняются вдоль поля, уменьшаясь в поперечном направлении. К 0,45 мкс анодный пузырек удлиняется вдоль поля, уменьшаясь в поперечном направлении, возникает светлая полоска - интегральное свечение анодного канала разряда, время разряда 1,2 мкс. К 0,7÷1 мкс катодный пузырек приобретает характерную грибообразную форму, а анодный пузырек увеличивается во всех направлениях. При наличии нескольких пузырьков катодные стримеры растут практически из всех пузырьков, а анодные из одного пузырька критического размера. На момент времени 1,0 мкс возникает на аноде веер сверхзвуковых стримеров толщиной ~5-10 мкм. Основной стример вылетает из кончика пузырька со скоростью более чем ~2 км/с на расстояние до 600 мкм, время его развития 1,3 мкс. Эти отличия позволяют определить временные параметры протекания предпробивного процесса. Самый короткий период времени от начала роста пузырька (или "темного образования") до момента возникновения первого стримера или свечения анодного канала разряда составляет около 0,5 мкс.
Результаты оптических и электрооптических исследований [5] предпробойных процессов подтвердили возможность обнаружения на поверхности электродов оптических неоднородностей - пузырьков и "темных образований" непосредственно перед самим пробоем. При этом длительность одного кадра сканирования поверхности электрода составляла 3 нс (частота подсветки поверхности) при длине волны лазера 0,61 мкм.
В настоящее время для оперативной защиты электротехнического оборудования от пробоя используется непрерывное измерение электрического напряжения между электродами, предельные допустимые значения которого заранее определяются расчетно-опытным путем для каждого типа оборудования на основе КПС. Для расчета КПС используются периодические, 1-2 раза в год в отбираемых пробах, измерения изолирующих свойств жидкого диэлектрика, количество влаги и т.д. Если изолирующие свойства жидкого диэлектрика хуже КПС, то принимается решение о выводе оборудования в ремонт. Тем не менее, анализ произошедших аварий на высоковольтных трансформаторах показал, что их причинами явились электрические пробои изоляционного промежутка, заполненного жидким диэлектриком.
Имеются заявки на патент, которые близки по области возможного применения. Например, заявка на патент "СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ", 2006 г. [6]. Однако этот способ для защиты от пробоя применить невозможно в реальных трансформаторах и др. оборудовании. Это обосновано тем, как указывалось выше, что само по себе знание пробивного напряжения жидкого диэлектрика не предскажет и не определит момент электрического пробоя трансформатора в процессе его эксплуатации.
В заявке на патент "СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА, ПОКРЫТОГО СЛОЕМ ДИЭЛЕКТРИКА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ", 2007 г. [7] указано на возможность измерения распределения напряженности электрического поля на поверхности электродов, покрытых слоем диэлектрика. Однако в реальных конструкциях электротехнического оборудования поверхность электродов не позволяет устанавливать на них какие-либо прозрачные электроды для визуализации напряженности электрического поля. Более того, из опытов известно, что знание распределения напряженности электрического поля на поверхностях электродов не предскажет ни момент времени, ни место электрического пробоя изоляционного промежутка. Из экспериментов известно, что пробои во всех случаях с гладких поверхностей электродов происходят с вершин пузырьков и "темных образований".
Сущность изобретения
Способ защиты от электрического пробоя электротехнического оборудования, имеющего изоляционный промежуток и поверхности электродов, изолированных между собой жидким диэлектриком, основан на обнаружении начала предпробивных явлений на поверхностях электродов, что воспринимается как сигнал (команда) на экстренное отключение или снижение напряжения на работающем электротехническом оборудовании.
В качестве объекта наблюдения предпробивных явлений использованы пузырьки и "темные образования", которые непосредственно перед пробоем возникают, или меняют свою форму и размеры. Объекты наблюдения оптически неоднородны и имеют размеры от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Объекты наблюдения можно зафиксировать оптическими и электронно-оптическими методами, например лучом лазера. Для обнаружения момента образования предпробивных явлений производится непрерывное сканирование поверхности электродов лучом лазера, частота излучения, мощность и скорость развертки которого регистрируют возникновение и рост пузырьков газа и "темных образований" на поверхности электродов в слое жидкого диэлектрика. Растр развертки луча лазера должен охватывать все электроды внутри электротехнического оборудования. В зависимости от конструкции оборудования может потребоваться несколько лазеров. По сигналам отраженных в растре лучей лазера создается текущий образ, например, в виде телеметрического сигнала, или фотографии, или голограммы. Далее осуществляется сравнение последующих образов с опорными образами.
В качестве начала наблюдения используется небольшой период времени нормально работающего оборудования. То есть, в начальный момент настраивается система наблюдения на 1-й опорный образ, с большой вероятностью не содержащий предпробивные явления. Если образ не изменился, то предпробивные явления отсутствуют. Если в какой-либо момент возникло изменение образа, то что-то произошло с объектом наблюдения. Если происходит рост пузырьков и "темных образований", то произойдет пробой. Этому явлению в аналоговом виде образа соответствует увеличение дисперсии амплитуды отраженного сигнала (луча лазера) в развертке по строкам растра, а в цифровом виде образа - увеличению несменяемых (неподвижных от кадра к кадру) точек на изображении в телекадре (фотокадре). При отрывах пузырьков с поверхности электродов происходит перемещение точек по изображению от предшествующего кадра (образа) к последующему кадру (образу). Если рост возникших предпробивных явлений приостановился или вовсе крупные пузырьки стали уменьшаться, то пробоя не будет.
В качестве 1-го опорного образа принято среднее значение из записанной группы текущих образов, которые предшествовали текущему образу, с которым в данный момент производится сравнение. После каждого кадра сканирования в эту группу последний текущий образ добавляется, а самый первый из ранее записанных образов удаляется. Размер группы образов постоянен, что определяет постоянство временной базы их осреднения. Размер группы определяется интервалом времени, который выбран примерно на 20-30% больше периода восстановления изоляционного промежутка в эталоне после пробоя. Размер группы образов настраивается для каждого вида жидкого диэлектрика индивидуально.
С целью обеспечения непрерывной проверки достоверности индикации фактов возникновения предпробивных явлений используют поверхность электрода-эталона, который размещают в пределах растра луча лазера и не соединяют с рабочими электродами электротехнического оборудования электрически. На электроде-эталоне, с интервалом времени больше периода восстановления изоляционного промежутка в нем после пробоя, осуществляют стимулированный частичный пробой между электродами через изоляционный промежуток, который заполняют тем же жидким диэлектриком, как и диэлектрик между рабочими электродами, стареющим в процессе эксплуатации оборудования.
Для обнаружения момента образования предпробивных явлений в качестве 1-го опорного образа, соответствующего отсутствию предпробивных явлений на поверхности рабочих электродов, принимают осредненный образ группы предшествующих текущих образов, в которых не были обнаружены предпробивные явления и при которых электротехническое оборудование уже проработало нормально (без пробоев). В каждом текущем образе выделяют область, в которой отображают поверхность электрода-эталона, сначала достоверно содержащую предпробивные явления при стимуляции пробоя, и ее принимают за 2-й опорный образ, затем в этой же выделенной области текущего образа по прошествии периода восстановления изоляционного промежутка в эталоне после пробоя отображают ту же поверхность электрода-эталона, достоверно не содержащую предпробивные явления, и ее принимают за 3-й опорный образ.
Для подтверждения достоверности индикации фактов возникновения предпробивных явлений сравнивают 2-й и 3-й опорные образы, по которым подтверждают факт распознавания текущих образов или при сбоях выполняют настройку распознавания образов на предмет наличия или отсутствия предпробивных явлений на поверхности электродов в каждом периоде сканирования лучом лазера.
С целью исключения ложных срабатываний текущий образ сравнивают с 1-м опорным образом, и если подтвержден факт распознавания 2-го и 3-го опорных образов в каждом периоде сканирования лучом лазера поверхности электродов, то при обнаружении в текущем образе на поверхности рабочих электродов предпробивных явлений вырабатывают команду "жди пробоя" на незамедлительное отключение или снижение напряжения нагрузки электротехнического оборудования, при отсутствии в текущем образе предпробивных явлений вырабатывают команду "пробой не ожидается".
Команду "жди пробоя" исполняют только в случае возникновения предпробивных процессов на рабочих электродах в течение времени подряд в трех-пяти циклах сканирования лучом лазера, в зависимости от требуемой вероятности обнаружения пробоя, но не больше времени протекания предпробивных процессов до электрического пробоя для каждого вида жидкого диэлектрика.
Остаточный ресурс безопасной работы электротехнического оборудования оценивают и вырабатывают команду "оборудованию требуется ремонт" по прогнозу времени, в течение которого по данным хронологической записи текущих образов предпробивных явлений, которые возникли, но по каким-либо причинам исчезли, минимальный интервал времени между их возникновениями сравняется с периодом восстановления изоляционного промежутка в эталоне после пробоя, умноженному на требуемый коэффициент запаса до пробоя для обеспечения безаварийной работы электротехнического оборудования.
Устройство защиты от электрического пробоя электротехнического оборудования, имеющего изоляционный промежуток и поверхности электродов, изолированных между собой жидким диэлектриком, выполнено следующим образом, см. чертеже. В корпусе 1 электротехнического оборудования, заполненного жидким диэлектриком и имеющего изолятор 2 ввода рабочего электрода 3, установлены сканирующий лазер 4 с приемником отраженного излучения и поверхности электрода-эталона 5. Расположение лазера 4 с приемником отраженного излучения и электрода-эталона 5 выбирается таким образом, чтобы в растр 6 лазерного луча попали электрод 3 и поверхность электрода-эталона 5. Расположение растра 6 лазера учитывает, что возникновение предпробивных явлений происходит на всей поверхности рабочих электродов электротехнического оборудования, но наибольшая чувствительность обнаружения предпробивных явлений обеспечивается в основном со стороны максимальной напряженности электрического поля. При этом в отраженном сигнале лазера с большей чувствительностью регистрируются рост пузырьков и "темных образований" на образе, если вектор скорости их роста расположен перпендикулярно лучу лазера. Помехами являются перемещающиеся по образу пузырьки газа и явления, которые связаны с вибрацией и засорением жидкого диэлектрика. Растр лазера с приемником отраженного излучения ориентируют по отношению к поверхности электродов таким образом, чтобы обеспечить максимальную чувствительность обнаружения предпробивных явлений и минимальные помехи. Сигналы с приемника отраженного излучения лазера поступают в аппаратуру 7, которая обрабатывает их в соответствии с алгоритмом, реализующим указанный выше способ, вырабатывая сигналы защиты "жди пробой", "пробой не ожидается" и "оборудованию требуется ремонт".
Промышленная применимость
Изобретение может быть применено в электрических сетях и высоковольтных подстанциях для защиты от электрического пробоя высоковольтных трансформаторов напряжения, трансформаторов тока и другого электротехнического оборудования, имеющего изоляционный промежуток и поверхности электродов, изолированных между собой и охлаждаемых жидким диэлектриком. Сигнал типа "жди пробоя" может подаваться на быстродействующие электрические отключатели нагрузки или устройства кратковременного снижения напряжения между электродами на входах/выходах высоковольтных трансформаторов, что позволит избежать аварии из-за пробоев. Сигнал типа "оборудованию требуется ремонт" может использоваться для организации упреждающего ремонта оборудования по указаниям на образах рабочих электродов мест ремонта.
Источники информации
1. Аракелян В.Г. Цели, понятия и общие принципы диагностического контроля высоковольтного электротехнического оборудования // Электротехника. 2002. №5. С.23-27.
2. Fofana I., Borsi Н., Gochenbach J. Fundamental investigation on some transformer liquids under various outdoor condition // IEEE Trans, on Dielec. and Electric. Insulat. 2001. V.8, №6. P.1040-1047.
3. Коробейников С.М., Мелихов A.B., Ганенко К.Б. Поведение пузырьков в перфтортриэтиламине под действием сильных электрических полей. Теплофизика высоких температур. - 2002. - Т.39. - №6. - С.885-889.
4. Мелихов А.В. Исследование предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками в микросекундном диапазоне. Реферат дисс. на соискание уч.ст. к.т.н., Новосибирск, 2008.
5. Melekhov A.V. Optical studies of prebreakdown cathode processes in deionized water. / S.M.Korobeynikov, A.V.Melekhov, V.G.Posukh, A.G.Ponomarenko, E.L.Boyarintsev, V.M..Antonov. // Proc. of the 16 Int. Conference on Dielectric Liquid, 30 June - 03 July, 2008, Poi tiers, France. - P.102-104. [Оптические исследования предпробойных катодных процессов в деионизованной воде].
6. Заявка 2006144034/28 от 2006.12.11 на патент "СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ", по МПК G01R 31/12.
7. Заявка 2007131140/28 от 2007.08.16 на патент "СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА, ПОКРЫТОГО СЛОЕМ ДИЭЛЕКТРИКА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ", по МПК G01R 27/00.