УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СИГНАЛА ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ИЗОЛЯЦИИ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
DEVICE FOR CONTINUOUSLY MONITORING PARTIAL DISCHARGE SIGNALS IN INSULATION OF THREE-PHASE HIGH VOLTAGE DEVICES UNDER OPERATION CONDITIONS

Заявляемое изобретение относится к области измерения частичных разрядов (ЧР) в электрической изоляции высоковольтных аппаратов под рабочим напряжением с целью диагностики дефектов изоляции, развитие которых может приводить к электрическому пробою изоляции.
ЧР в изоляции высоковольтных аппаратов происходят в областях с пониженной электрической прочностью, например в газовых включениях. При ЧР происходит практически мгновенное (за наносекунды) перераспределение электрического заряда. Вокруг области каждого ЧР возникает импульс электрического поля и звуковой импульс. Измерение именно этих двух эффектов лежит в основе большинства основных устройств (датчиков) контроля ЧР в изоляции высоковольтных аппаратов.
Акустические датчики (например, заявка RU №2000109808 оп. 18.04.02) работают следующим образом. На контролируемый объект устанавливают микрофоны этих датчиков или наводят параболическое зеркало с акустическим приемником, преобразующим акустические колебания в электрические, отфильтровывают низкочастотные колебания и регистрируют ЧР по наличию высокочастотных колебаний. В современной системе контроля изоляции по характеристикам частичных разрядов СКИ-3 используются датчики акустических сигналов ДАК-2, работающие практически с любыми типами акустических преобразователей, в том числе с имеющими встроенные предусилители. Имея расширенный частотный диапазон с возможностью программного переключения, эти датчики могут использоваться для решения широкого круга задач, в том числе для проведения вибродиагностики силовых трансформаторов. В системе СКИ-3 имеется три акустических канала, датчики которых устанавливаются на поверхности испытуемых высоковольтных аппаратов на расстоянии до 50 м от пульта управления (Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. / Выпуск 27. - С-Пб, 2004 г, с.99-107). Акустические датчики регистрируют ультразвуковые колебания, сопровождающие частичный разряд в изоляции. Как правило, электрическая изоляция высоковольтных аппаратов представляет собой многослойную конструкцию на основе изоляционной бумаги, электротехнического картона, помещенную в изоляционное масло и пропитанное им. Прохождение звукового сигнала через такую среду сопровождается интенсивным затуханием, многократными отражениями, что существенно снижает уровень регистрируемого сигнала. Кроме того, сам высоковольтный аппарат, находящийся под напряжением и нагрузкой издает ультразвуковые колебания, уровень которых существенно выше ультразвуковых колебаний от частичного разряда. Поэтому появление ЧР внутри такой конструкции под рабочим напряжением с помощью ультразвукового сигнала не может быть надежно зарегистрировано.
Датчики ЧР электромагнитных сигналов (СВЧ зонды) используют для контроля ЧР их высокочастотное излучение, выходящее значительно за пределы слоя изоляции (например, заявка RU №2001110546, оп. 10.03.03) высоковольтного аппарата. Эти датчики обычно используются для дистанционного контроля ЧР и определения места их локализации.
Датчики ЧР электрических каналов (ЭК) или электрические датчики систем контроля изоляции высоковольтных аппаратов в настоящее время являются главным и наиболее широко используемым элементом этих систем. Так современная система контроля изоляции СКИ-3 включает в себя 8 датчиков электрических каналов и только 3 датчика ЧР акустических и один датчик ЧР электромагнитных каналов.
Принцип действия одного из датчиков ЧР электрических каналов можно показать на схеме устройства согласно патенту (RU 2019850, оп. 15.09.94) (Фиг.1). Высокое напряжение с трансформатора 1 подается на объект контроля 2, где возникает излучение ЧР, которое поступает на высоковольтный конденсатор 3. Высоковольтный конденсатор 3 выполнен таким образом, что верхней обкладкой его является высоковольтная токоведущая жила объекта контроля 2. То есть токоведущая жила 2, являясь верхней обкладкой этого конденсатора, одновременно является входом радиотехнической схемы датчика ЧР электрического канала, которая включает: фильтр 4 высоких частот, измерительный кабель 5, регистрирующий прибор 6, содержащий широкополосный интегрирующий усилитель 7, компаратор 8, счетчик 9 импульсов и индикатор 10. Как видно, датчик ЧР электрического канала является сложной радиотехнической конструкцией, содержащей схемы усиления и обработки электрического сигнала ЧР. Это связано с тем, что измерения сигнала частичных разрядов производятся на фоне интенсивных электромагнитных сигналов помех, практически не отличимых от малого измеряемого сигнала ЧР, который из-за малой площади контакта с токоведущей жилой 2 составляет незначительную часть мощности, индуцированной в процессе ЧР. Для решения этой весьма сложной задачи разработаны многочисленные конструкции датчиков ЧР электрических каналов, отличающихся, прежде всего, схемой входа, а именно индуктивной (пат. RU 2262765, оп. 20.10.05), резистивной (пат. JP 6109799, оп. 22.04.1994 г.), емкостной (пат. JP 6109800, оп. 22.04.1994 г.) и комбинированной. Структурная схема системы контроля ЧР в изоляции трехфазного высоковольтного аппарата с помощью датчиков ЧР электрического канала приведена на фиг.2а. Датчики (Д) обычно устанавливаются на каждой фазе высоковольтного аппарата с обеспечением гальванической развязки от контролируемого объекта и часто на значительных (многие десятки метров) расстояниях от пультов управления ими. Датчики (Д) помещают стационарно или разово непосредственно вблизи выводов измерительных обкладок вводов высокого напряжения ВН и нейтрали N, в цепях заземления экранов или в шинах заземления корпусов (баков) контролируемых объектов. Регистратор ЧР (РЧР) располагают в специальном шкафу ШР. Кабели линии связи ЛС прокладываются по поверхности баков (корпусов) объектов контроля или на поверхности грунта в металлорукавах или металлических трубах.
Прототипом заявляемого устройства непрерывного контроля сигнала ЧР электрическим способом можно считать датчик ЧР электрического канала с индуктивным входом (фиг.2а), предложенный, например, в патенте RU 2262765, опубликованном 20.10.05 г. Принципиальными отличиями этого технического решения от других датчиков ЧР электрического канала является электростатическая экранировка 11 входа датчика ЧР и использование в качестве его входного элемента катушки индуктивности 12, в которой индуцируется сигнал ЧР и которая соответствует обмотке трансформатора в заявляемом устройстве. Прототип работает следующим образом. Электростатический экран соединяют с высоковольтным проводящим элементом объекта контроля ЧР. При возникновении ЧР импульсный сигнал ЧР проходит через два этапа. На первом этапе возникшее в изоляторе импульсное электрическое поле ЧР индуцирует в проводящих элементах активной части высоковольтного аппарата импульсный сигнал ЧР, часть которого в прототипе проходит через воздушный конденсатор, образованный электростатическим экраном 11 и датчиком частичных разрядов 12 в датчик частичных разрядов 12, представляющий собой катушку индуктивности, и заземление 17. Индуцируемое на датчике ЧР 12 напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13, в котором преобразуется в цифровой код и передается на вход оптического преобразователя 14. Оптический преобразователь 14 преобразует цифровой электрический сигнал в оптический, который по оптическому кабелю поступает к измерительному устройству. Измерение ЧР производится на фоне интенсивных электромагнитных сигналов помех, практически не отличимых от измеряемого сигнала ЧР и имеющих те же, что и ЧР, частотные характеристики. В этой связи обеспечение оптимальности пути прохождения сигнала ЧР от области его зарождения до поверхности входного элемента датчика ЧР является залогом повышения эффективности его работы. С этой точки зрения все перечисленные выше датчики ЧР могут быть разделены на два класса: прямого и косвенного приема сигнала ЧР. К первому классу относятся датчики ЧР электромагнитных каналов (СВЧ зонды), работающие на прямом приеме высокочастотного излучения ЧР, и акустические датчики ЧР, работающие на сопутствующем ЧР ультразвуковом излучении. Ко второй группе относятся датчики ЧР электрических каналов. На вход последних, как показано выше, сигнал ЧР поступает после прохождения двух этапов. На первом этапе собственный сигнал ЧР индуцирует в активной (металлической) части высоковольтного аппарата соответствующий импульс сигнала, который на втором этапе через воздушно-изоляционный промежуток между поверхностью активной части обследуемого аппарата и входом датчика ЧР поступает в этот датчик для обработки и измерения. Очевидно, что усложнение пути прохождения сигнала ЧР на вход датчика приводит к деградации его величины и временным искажениям его формы.
Таким образом, для достижения возможности оптимальной чувствительности и эффективности регистрации ЧР перспективны СВЧ-зонды, но эти датчики ЧР обычно действуют на расстояниях, сравнимых с размером антенны и много больших, что увеличивает уровень шумов и помех и уменьшает поступающий на этот датчик сигнал ЧР. Датчики ЧР электрических каналов действуют в непосредственной близости к области возникновения ЧР и активной части высоковольтного аппарата, но из-за увеличения числа этапов прохождения сигнала ЧР до входного элемента датчика ЧР электрических каналов их чувствительность и надежность регистрации ЧР снижается. Усложняется также из-за малости сигнала и высокого уровня помех процесс обработки и усиления сигнала ЧР. Таким образом, возникает техническое противоречие, заключающееся в том, что наиболее удобные в эксплуатации датчики ЧР электрических каналов имеют неоптимальную конструкцию входа, снижающую их чувствительность и эффективность регистрации ЧР. В результате для эффективной работы систем контроля ЧР в изоляции высоковольтных аппаратов необходимо применять по несколько датчиков ЧР всех упомянутых типов. Системы контроля ЧР оказываются сложными (например, система СКИ-3) и требующими высокой квалификации обслуживающего персонала. Все это существенно увеличивает затраты на обслуживание в условиях, когда в нашей стране растет число аварий, связанное со старением высоковольтного оборудования.
Отмеченное выше техническое противоречие разрешается успешно в заявляемом изобретении тем, что в заявляемом устройстве непрерывного контроля ЧР в изоляции трехфазных высоковольтных аппаратов в условиях эксплуатации, состоящих, по меньшей мере, из активной части в виде системы проводящих электрически связанных между собой элементов, находящихся под высоким напряжением и окруженных слоями изоляции, содержащем схемы обработки и регистрации сигналя ЧР и по меньшей мере один датчик-приемник сигнала ЧР, в качестве датчика-приемника сигналов ЧР использована активная часть трехфазного высоковольтного аппарата, а измерение сигналов ЧР производится в общей точке активной части аппарата с использованием низковольтных измерительных трансформаторов напряжения одновременно на всех трех фазах высоковольтного аппарата, соединенных по схеме «разомкнутого треугольника».
Новизна заявляемого устройства заключается не только в новой интегрированной конструкции, в которой активная часть обследуемого трехфазного высоковольтного аппарата выполняет функции датчика-приемника сигнала ЧР в этом устройстве, но и в эффективном одноступенчатом механизме попадания сигнала ЧР из области его зарождения на вход заявляемого датчика. В то же время как прототип изготавливается отдельно от активной части высоковольтного аппарата, а их взаимодействие достигается механической стыковкой датчика ЧР электрического канала с обследуемым высоковольтным аппаратом обычно через слой изолятора в условиях отсутствия гальванической связи между ними. И, как следствие, процесс передачи сигнала ЧР из области возникновения ЧР в изоляции высоковольтного аппарата посредством индукции в ближайшие к этой области элементы активной части аппарата с последующей индукцией из активной части на вход датчика ЧР оказывается двухступенчатым и, значит, сопровождающимся значительно большими потерями сигнала ЧР, чем в заявляемом устройстве. Это доказывает существенный характер отличий новизны конструкции заявляемого устройства от прототипа, тем более что сигнал ЧР в заявляемом устройстве, как показал эксперимент, оказался в 100 и более раз больше по величине (десятки вольт, вместо десятых долей вольта), и существенно, в 100 и более раз, превышает уровень помех.
Заявляемое техническое решение особенно эффективно для трехфазных высоковольтных аппаратов, поскольку измерение сигналов ЧР согласно заявляемому изобретению производится в общей точке трехфазной цепи одновременно на всех трех фазах высоковольтного аппарата вместо использования как минимум трех датчиков ЧР электрических каналов (на принципе прототипа). Это позволяет контролировать сигнал ЧР постоянно во всей трехфазной цепи, что упрощает и удешевляет процесс контроля изоляции высоковольтного аппарата в целом.
Общая точка на любом трехфазном аппарате достаточно просто организуется из специально установленных емкостных делителей на три фазы электрически связанного участка цепи или имеющихся емкостных делителей, например, высоковольтные вводы, измерительные трансформаторы тока, конденсаторы связи и т.д. Для этого достаточно присоединить к заземляемому измерительному выводу перечисленных аппаратов низковольтные измерительные трансформаторы тока или напряжения, вторичные обмотки которых соединить по схеме «разомкнутого треугольника». В разрыв этого треугольника для измерения сигнала ЧР включить любое серийное устройство для измерения напряжения (например, цифровой осциллограф, цифровой регистратор N аварийных процессов и т.д.).
0
0
0
а
b
с
а
b
с
а
b
c
Блок-схема заявляемого устройства приведена на Фиг.3. Высоковольтные шины А, В, С и обмотки А, В, С трансформаторов являются электрически связанной активной частью трехфазного высоковольтного аппарата (например, трансформатора напряжения), окруженной изоляцией, С, C и С емкостные делители для организации общей точки трансформаторами тока или напряжения, соединенными по схеме «разомкнутого треугольника» в разрыв которого включен регистратор ЧР (N). Устройство работает следующим образом. В локальной части ОЧР (Фиг.3) области изоляции, окружающей активную часть высоковольтного аппарата, под действием высокого напряжения возникают импульсы тока ЧР. Эти импульсы индуцируют импульсные токи ЧР в активной части высоковольтного аппарата и, следовательно, в шинах А, В и С, которые через емкости С, C и С поступают в трансформаторы Т, T и T, обмотки которых соединены по схеме «разомкнутого треугольника». Включенный в разрыв «треугольника» регистратор ЧР измеряет уровень этих сигналов ЧР на фоне шумов и помех. Выделение собственных сигналов ЧР среди шумов и помех может производиться стандартными методами.
Очевидны преимущества заявляемого устройства.
1. ЧР измеряются в изоляции высоковольтного электрического аппарата одновременно на трех фазах в одной точке с помощью одного канала измерительного устройства без каких-либо внешних датчиков.
2. ЧР могут измеряться в изоляции системы электрически связанных между собой высоковольтных аппаратов (т.е. всех электрически связанных аппаратов, подключенных к системе шин А, В и С) одновременно на трех фазах в общей точке на один канал измерительного устройства без каких-либо внешних датчиков. Тем самым, может обеспечиваться постоянный контроль ЧР целой подстанции.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Принцип действия датчика ЧР электрического канала-аналога заявляемого устройства.
Фиг.2а. Структурная схема системы контроля ЧР в изоляции трехфазного высоковольтного аппарата с помощью датчиков ЧР электрических каналов.
Фиг.2в. Блок-схема устройства для измерения частичных разрядов, с катушкой индуктивности на входе, являющегося прототипом заявляемого устройства.
Фиг.3. Блок-схема заявляемого устройства.
На чертежах позициями обозначены:
сети
оп
а
b
с
0
0
0
а
b
c
1 - трансформатор; 2 - объект контроля; 3 - высоковольтный конденсатор; 4 - фильтр высоких частот; 5 - измерительный кабель; 6 - регистрирующий прибор; 7 - широкополосный интегрирующий усилитель; 8 - компаратор; 9 - счетчик импульсов; 10 - индикатор; Д - датчики ЧР; А, В, С, N - вводы высокого напряжения фаз А, В, С и нейтрали N; U - напряжение сети; U - опорное напряжение (для синхронизации при регистрации ЧР; ЛС - линия связи; РЧР - регистратор частичных разрядов (ЧР); ШР - шкаф регистратора; С - емкостной делитель фазы А; C - емкостной делитель фазы В; С - емкостной делитель фазы С; N - регистратор ЧР; 11 - электростатический экран, контактирующий с объектом контроля; 12 - датчик ЧР; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - оптический преобразователь; 15 - блок питания; 16 - оптический кабель; 17 - заземление; ОЧР - область возникновения частичного разряда А, В, С - высоковольтные обмотки трансформатора напряжения (активная часть высоковольтного аппарата); Т, T и T - обмотки низковольтных измерительных трансформаторов тока или напряжения..
Пример осуществления заявляемого изобретения
Работоспособность и эффективность заявляемого устройства проверена на подстанции 500 кВ, где оно позволило надежно выявить зарождение дефекта изоляции в измерительном трансформаторе напряжения 500 кВ на основании регистрации ЧР в течение 4-х месяцев до развития ЧР в полный пробой изоляции (аварию). Появление и развитие дефекта задокументировано (сохранялось) в памяти регистратора на период одного года в виде оцифрованных осциллограмм, позволявших связать вид и характер дефекта с величиной и формой регистрируемого сигнала ЧР. Начало процесса развития дефекта изоляции выразилось в виде появления на осциллограмме одиночных импульсов сигналов ЧР на фоне помех (шума), связанного с появлением дефекта. Через две недели появились постоянные импульсные сигналы ЧР при существенном уменьшении уровня шума. Через 2 месяца возник периодически появляющийся сигнал ЧР с амплитудой в 10 раз большей, чем на начальных стадиях развития дефекта. Через 4 месяца после начала наблюдения периодически появляющийся сигнал ЧР вырос еще в 10 раз. Высоковольтный аппарат в связи с неопытностью обслуживающего персонала не был отключен, что привело к полному пробою. Затраты на восстановление поврежденного оборудования при данной аварии составили около 5 миллионов рублей, не считая штрафов и компенсации недоотпуска электроэнергии. Таким образом незапланированный итог реализации заявляемого устройства доказал эффективность и перспективность применения заявляемого устройства для непрерывной регистрации сигнала ЧР в условиях постоянной эксплуатации высоковольтного оборудования при условии принятия своевременных мер по предотвращению аварий.