Способ дистанционного контроля технического состояния электроэнергетических объектов
METHOD FOR REMOTE MONITORING OF TECHNICAL CONDITION OF ELECTRIC POWER FACILITIES

Изобретение относится к дистанционным способам шумовой и квазишумовой диагностики дефектности электроэнергетических (ЭЭ) объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади ЭЭ объектов, типа питающей электростанции, распределительной электроподстанции, силовой сети электрического обеспечения населенного пункта, предприятия, космодрома, аэродрома, железнодорожного узла и других аналогичных, включающих в себя протяженные участки высоковольтных (ВВ) линий электропередачи (ЛЭП) и подключенное к этим линиям дискретное ЭЭ оборудование (силовые автотрансформаторы, трансформаторы напряжений, трансформаторы токов, управляемые шунтирующие реакторы, открытые распределительные устройства и прочее оборудование с малой и средней занимаемой площадью), и предназначено для создания промышленных информационно-измерительных комплексов контроля технического состояния ЭЭ объектов, обеспечивающих достоверную экспресс-диагностику полной дефектности этих объектов.
Известен способ дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов (оборудования) [1], в котором полную дефектность контролируемого объекта, находящегося под напряжением, определяют по электромагнитному излучению оборудования этого объекта. При этом сначала определяют дефектности отдельных единиц дискретного оборудования контролируемого ЭЭ объекта, а затем, используя полученную информацию, устанавливают полную дефектность контролируемого объекта.
Известный способ базируется на измерении средней интенсивности потока электромагнитных импульсов (предположительно шумовых), излучаемых оборудованием контролируемого ЭЭ объекта вследствие действия электрических разрядов в изоляции этого оборудования.
Измерения в известном способе выполняют с помощью широкополосной приемной антенны произвольной поляризации, подключенной к входу специально изготовленного регистратора средней интенсивности потока электромагнитных импульсов, излучаемых отдельной единицей оборудования контролируемого ЭЭ объекта во всей рабочей полосе частот измерительной аппаратуры. Рекомендуемые в данном известном способе частоты измерений превышают значения f = 150-200 MHz и лежат в высокочастотной части области доминирующего действия белого шума ионизации изоляции с равномерным спектром, первоисточника излучений оборудования ЭЭ объектов на указанных частотах.
По результатам измерений строят зависимость средней интенсивности потока излучаемых импульсов от порога обнаружения, а в качестве диагностических параметров используют: крутизны наклонов отрезков аппроксимирующих прямых на участках этой зависимости, количество интервалов, необходимых для такой аппроксимации, и значения координат точек перегибов указанной зависимости. Причем дефектности отдельных единиц оборудования контролируемого ЭЭ объекта определяют по динамике изменения указанных диагностических параметров при выполнении серий периодических измерений на временных интервалах, разделенных месяцами и годами эксплуатации данного объекта.
c
c
Недостатки известного способа [1] обусловлены применением в нем нестандартной, специально изготовленной измерительной аппаратуры, громоздкой процедуры обработки результатов измерений и неудачным выбором частот измерений, лежащих в основном за пределами частотного диапазона наиболее интенсивных излучений оборудования ЭЭ объектов, равного f = 50 Hz-300 MHz (с учетом излучений на частотах действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети f = 50-60 Hz, ее верхних гармоник mf, где m = 2, 3, 4,… - порядковый номер гармоники питающей сети, и с резонансными частотами добротных колебательных цепей оборудования этих объектов [2, 3]), что отрицательно сказывается на оперативности, чувствительности и надежности диагностирования полных дефектностей ЭЭ объектов в этом известном способе.
Кроме того, в известном способе [1] нельзя без дополнительных спектральных измерений (не предусмотренных в этом способе) однозначно утверждать, средняя интенсивность потока каких импульсов измеряется: шумовых (как полагают авторы) или квазигармонических (тоже излучаемых оборудованием контролируемого ЭЭ объекта [2, 3]), что дополнительно снижает надежность диагностирования дефектностей оборудования и полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта.
Поэтому известный способ дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов [1] не обладает требуемой оперативностью, чувствительностью и надежностью диагностирования полных дефектностей контролируемых объектов, а потому непригоден для реализации достоверной экспресс-диагностики технического состояния таких объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади ЭЭ объектов.
Известен также способ дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов [4], в котором полную дефектность контролируемого объекта, находящегося под напряжением, определяют по энергетическим спектрам электромагнитных излучений горизонтальной поляризации этого и однотипного с ним эталонного объектов, измеренным в эквивалентных условиях с помощью стандартной промышленной аппаратуры. При этом первопричиной появления указанных излучений на рекомендуемых в способе [4] частотах измерений f=3-3000 MHz также являются электрические разряды в изоляции оборудования ЭЭ объектов и создаваемые ими белые шумы ионизации изоляции с равномерным спектром.
Отметим, что в данном известном способе [4], в отличие от известного способа [1], устанавливают полную дефектность контролируемого ЭЭ объекта, минуя определение дефектности отдельных единиц дискретного оборудования этого объекта, в связи с чем алгоритм обработки результатов измерений в способе [4] значительно проще, чем в способе [1], а рекомендуемые частоты измерений для энергетических спектров излучений располагаются внутри указанного выше частотного диапазона наиболее интенсивных электромагнитных излучений оборудования ЭЭ объектов, за счет чего в известном способе [4] обеспечиваются повышенные, в сравнении со способом [1], оперативность, чувствительность и надежность диагностирования полной дефектности указанных объектов.
Кроме того, в известном способе [4] измерения осуществляются с помощью стандартной промышленной аппаратуры (а не с помощью специально изготовленного измерителя, как в способе [1]), благодаря чему в нем (в способе [4]) обеспечивается дополнительный рост надежности и оперативности диагностирования отдельных единиц оборудования и полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта в сравнении со способом [1].
С учетом сказанного, известный способ дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов [4] обладает увеличенными, в сравнении с известным дистанционным способом [1], оперативностью, чувствительностью и надежностью диагностирования полных дефектностей указанных объектов.
Известный способ [4] наиболее близок к предлагаемому способу дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов и принят нами за прототип.
Однако известный дистанционный способ-прототип [4] все же обладает существенными недостатками.
В способе-прототипе диагностика осуществляется по интенсивности излучаемых белых шумов и колебаний с резонансными частотами добротных колебательных цепей оборудования контролируемого объекта, первоисточником появления которых являются белые шумы ионизации изоляции. В обоих известных способах не используются для диагностирования полных дефектностей ЭЭ объектов излучаемые фликкерные шумы ионизации изоляции оборудования этих объектов на частотах ниже 2 MHz, интенсивности которых увеличиваются с понижением частоты анализа и с ростом дефектностей контролируемых объектов растут быстрее, чем интенсивности белых шумов [5], т.е. использование фликкерных шумов может способствовать росту оперативности, чувствительности и надежности диагностирования полных дефектностей ЭЭ объектов.
Следовательно, известный способ дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов [4] (прототип) обладает недостаточной чувствительностью и надежностью диагностирования для выполнения достоверной экспресс-диагностики полных дефектностей указанных объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади ЭЭ объектов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании дистанционного способа контроля технического состояния ЭЭ объектов, лишенного отмеченных недостатков прототипа, т.е. обладающего в сравнении с прототипом увеличенной чувствительностью и надежностью диагностирования, а потому пригодного для выполнения достоверной экспресс-диагностики и мониторинга полных дефектностей контролируемых ЭЭ объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади объектов.
1
2
2
Для решения поставленной задачи предлагается способ дистанционного контроля технического состояния электроэнергетических объектов, в котором полную дефектность контролируемого объекта, находящегося под напряжением, определяют путем сравнения энергетических спектров электромагнитных излучений горизонтальной поляризации, полученных для контролируемого и эталонного электроэнергетических объектов, измеренных в эквивалентных условиях с помощью стандартной промышленной аппаратуры, отличается тем, что в нем измеряют энергетические спектры излучений горизонтальной поляризации на частотах совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети, ее верхних гармоник и с резонансными частотами добротных колебательных цепей оборудования этих объектов, затем выделяют в измеренных спектрах компоненты фликкерных и белых шумов и определяют частоты раздела f и f областей доминирующего действия указанных шумовых компонентов в спектрах излучений для эталонного и контролируемого объектов, а в заключение фиксируют в указанных спектрах интенсивности фликкерных шумов на максимальной частоте доминирующего действия фликкерного компонента шума в спектре для контролируемого объекта на частоте f, и из сравнения фиксированных интенсивностей фликкерных шумов в спектрах для эталонного и контролируемого объектов определяют полную дефектность контролируемого объекта.
Заявляемые в предлагаемом изобретении ограничительные и отличительные признаки обеспечивают решение поставленной задачи – создание способа дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов, лишенного отмеченных недостатков прототипа и обладающего, в сравнении с прототипом, увеличенными чувствительностью и надежностью диагностирования, а потому пригодного для выполнения достоверной экспресс-диагностики и мониторинга полных дефектностей контролируемых ЭЭ объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади объектов.
В заявляемом способе общим с прототипом [4] существенным признаком является то, что «…полную дефектность контролируемого объекта, находящегося под напряжением, определяют путем сравнения энергетических спектров электромагнитных излучений горизонтальной поляризации, полученных для контролируемого и эталонного электроэнергетических объектов, измеренных в эквивалентных условиях с помощью стандартной промышленной аппаратуры».
Следовательно, в предлагаемом дистанционном способе, как и в дистанционном способе-прототипе, полную дефектность контролируемого ЭЭ объекта (включающего в себя протяженные участки ВВ ЛЭП и дискретное оборудование, находящееся под воздействием напряжений этих ЛЭП), определяют по энергетическим спектрам электромагнитных излучений этого и однотипного с ним эталонного объектов, измеренным в одинаковых условиях их эксплуатации (как правило, при номинальных режимах функционирования) и с применением стандартной промышленной аппаратуры, состоящей, например, из широкополосной приемной антенны и управляемого компьютером промышленного анализатора спектра.
Признаки отличительной части формулы предлагаемого изобретения обеспечивают решение поставленной задачи.
Сравнительный анализ отличительных признаков заявляемого решения с признаками прототипа (и других известных дистанционных способов-аналогов) свидетельствует о достаточной новизне и неочевидности заявляемого решения.
c
c
c
Отличительный признак «…измеряют энергетические спектры излучений горизонтальной поляризации на частотах совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети, ее верхних гармоник и с резонансными частотами добротных колебательных цепей оборудования этих объектов…» указывает горизонтальный вид поляризации измеряемых излучений (так же как и в прототипе, а не произвольную поляризацию излучений, как в способе-аналоге [1]) и определяет частотный диапазон измерения указанных спектров как область совместного действия фликкерных шумов, белых шумов и квазигармонических составляющих с частотами питающей промышленной сети f (обычно f = 50-60 Hz), ее высших гармоник mf (где m = 2, 3, 4,… - порядковый номер гармоники) и с резонансными частотами добротных колебательных цепей оборудования ЭЭ объектов, т.е. рекомендует выполнять измерения на частотах f =3 kHz-300 MHz, существенно отличных от таковых, используемых в прототипе и в других известных дистанционных способах-аналогах. Измерительную аппаратуру в предлагаемом способе целесообразно располагать непосредственно под или над участком высоковольтной ЛЭП, питающей тестируемый ЭЭ объект.
1
2
G1
W
G2
W
G1
F
F1
G2
F
F2
F1,
F2
1
2
1
2
v1
v2
Отличительный признак «...выделяют в измеренных спектрах компоненты фликкерных и белых шумов и определяют частоты раздела f и f областей доминирующего действия указанных шумовых компонентов в спектрах излучений для эталонного (первого) и контролируемого (второго) объектов…» предлагает стандартными математическими методами, например методом линейной аппроксимации (с последующей экстраполяцией результата аппроксимации на весь частотный диапазон измерений) набора экспериментальных точек численностью 10-30 и более, соответствующих локальным минимумам излучений в частях спектров, где действуют фликкерные и белые шумы (при недостаточной численности экспериментальных точек используют расширенный диапазон частот от 300 Hz до 3 GHz), в интервалах интенсивностей, равных удвоенной для белых шумов и утроенной для фликкерных шумов статистической погрешности измерений (увеличенный интервал интенсивностей для фликкерных шумов учитывает волнистый характер хода спектра этих шумов, обнаруживаемый при более точной, нелинейной аппроксимации его, выполненной в [6]), выделить в измеренных спектрах для эталонного (первого) и контролируемого (второго) объектов, представленных в логарифмических масштабах по обеим осям графиков, компоненты белых шумов с равномерными спектрами (S), (S) и компоненты фликкерных шумов со спектрами вида (S) = C/f , (S) = C/f  (где C C - размерные параметры линейных аппроксимаций компонентов фликкерных шумов в dB(W)/Hz, зависящие от концентрации дефектов в изолирующих слоях оборудования ЭЭ объектов и увеличивающие свою интенсивность с ростом дефектностей этих объектов; v, v - безразмерные параметры линейных аппроксимаций, характеризующие средние наклоны фликкерных компонентов шумов в указанных спектрах и убывающие по величине от значений 1,8-1,6 в эталонном и слабодефектном объектах до значений 1,2-1,0 в объектах с сильной и опасной дефектностью) и определить частоты раздела f и f областей доминирующего действия компонентов фликкерных и белых шумов в спектрах излучений горизонтальной поляризации для эталонного (первого) и контролируемого (второго) объектов как результаты пересечений линейных экстраполированных аппроксимаций указанных шумовых компонентов, чего нет в прототипе и в других известных дистанционных способах-аналогах.
2
2,
Отличительный признак «…фиксируют в указанных спектрах интенсивности фликкерных шумов на максимальной частоте доминирующего действия фликкерного компонента шума в спектре для контролируемого (второго) объекта, т.е. на частоте f, и из сравнения фиксированных интенсивностей фликкерных шумов в спектрах для эталонного и контролируемого объектов определяют полную дефектность контролируемого объекта…» предлагает фиксировать в измеренных энергетических спектрах излучений горизонтальной поляризации для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов интенсивности фликкерных шумов на максимальной частоте доминирующего действия фликкерного компонента шума в спектре для контролируемого (второго) объекта, т.е. на частоте f и, далее, сравнивая фиксированные интенсивности фликкерных шумов в спектрах для эталонного и контролируемого объектов, разрабатывать критерии и определять с применением этих критериев полную дефектность контролируемого ЭЭ объекта (чего тоже нет в способе прототипе и в других известных дистанционных способах-аналогах).
2
В ходе выполненных экспериментов было установлено, что с ростом дефектности контролируемого ЭЭ объекта интенсивность фликкерного компонента шума в его энергетическом спектре электромагнитного излучения горизонтальной поляризации на максимальной частоте доминирующего действия этого компонента шума, т.е. на частоте f, возрастает в среднем на 5-15 dB сильнее, чем интенсивность компонента белого шума.
2
Предлагаются следующие универсальные критерии, слабо зависящие от типа ЭЭ объекта, для определения полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта по разности интенсивностей фликкерных шумов в энергетических спектрах излучений горизонтальной поляризации эталонного и контролируемого объектов на максимальной частоте доминирующего действия фликкерного компонента шума f в спектре для контролируемого объекта.
2
2
Слабая полная дефектность контролируемого ЭЭ объекта соответствует превышению в его энергетическом спектре электромагнитного излучения горизонтальной поляризации интенсивности фликкерного шума на максимальной частоте доминирующего действия этого шума f над таковой на той же частоте f в спектре для эталонного объекта на величину до 20 dB. (1)
2
2
Умеренная полная дефектность контролируемого ЭЭ объекта соответствует превышению в его энергетическом спектре электромагнитного излучения горизонтальной поляризации интенсивности фликкерного шума на максимальной частоте доминирующего действия этого шума f над таковой на той же частоте f в спектре для эталонного объекта на величину от 20 dB до 40 dB. (2)
2
2
Сильная полная дефектность контролируемого ЭЭ объекта соответствует превышению в его энергетическом спектре электромагнитного излучения горизонтальной поляризации интенсивности фликкерного шума на максимальной частоте доминирующего действия этого шума f над таковой на той же частоте f в спектре для эталонного объекта на величину от 40 dB до 60 dB. (3)
2
2
Опасная полная дефектность контролируемого ЭЭ объекта соответствует превышению в его энергетическом спектре электромагнитного излучения горизонтальной поляризации интенсивности фликкерного шума на максимальной частоте доминирующего действия этого шума f над таковой на той же частоте f в спектре для эталонного объекта на величину 60 dB и более. (4)
F1
1
1
В качестве эталона в предлагаемом способе может использоваться новый, только введенный в эксплуатацию, ЭЭ объект, или объект с минимальным значением параметра аппроксимации С и с максимальными значениями параметров v и f среди всех обследованных объектов, однотипных с контролируемым. Благодаря сравнению с эталоном, предложенные выше критерии (1-4) и полученные с применением этих критериев оценки полных дефектностей контролируемых ЭЭ объектов проявляют слабую чувствительность к внешним помехам, меньшую, чем в способе-прототипе (и в других известных дистанционных способах-аналогах), поскольку большинство сторонних вещательных и профессиональных телевизионных и радиостанций работают с квазигармоническими излучениями вертикальной поляризации, а в предлагаемом способе измеряются излучения именно горизонтальной поляризации и сверх того, квазигармонические колебания вообще исключаются из рассмотрения при обработке результатов измерений.
В отличие от способа-прототипа, где полная дефектность объекта определяется непосредственно из сравнения интенсивностей белого-шума, в предлагаемом способе полная дефектность этого объекта определяется непосредственно из сравнения интенсивностей фликкерных компонентов шумов в спектрах электромагнитного излучения горизонтальной поляризации оборудования контролируемого и эталонного объектов на максимальной частоте доминирующего действия указанного шумового компонента в спектре для контролируемого объекта в целом, исключая присутствующие в известных дистанционных способах-аналогах громоздкие предварительные этапы определения дефектностей многочисленных отдельных образцов дискретного оборудования контролируемого объекта.
Отметим также, что с учетом вышеуказанного изменения наклона частотного хода спектра фликкерного компонента шума с ростом дефектности контролируемого объекта, используемый в предлагаемом изобретении диагностический параметр соответствует (в пределах области доминирующего действия фликкерного компонента шума в спектре контролируемого объекта) максимальной возможной разности интенсивностей фликкерных шумов в спектрах для контролируемого и эталонного объектов, что позволило в предлагаемом способе полностью реализовать потенциальные возможности роста чувствительности диагностирования дефектности по интенсивности фликкерных шумов.
Благодаря последнему обстоятельству, чувствительность диагностирования полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта с применением критериев (1-4) в предлагаемом способе в среднем на 5-15 dB выше, чем в способе-прототипе. При этом выигрыш в чувствительности увеличивается с ростом дефектности контролируемого ЭЭ объекта и сопровождается повышением надежности диагностирования полной дефектности этого объекта.
Можно отметить также, что рекомендуемый запасной расширенный частотный диапазон измерений в предлагаемом способе можно использовать как резерв для повышения надежности диагностирования дефектности ЭЭ объектов, поскольку с расширением частотного диапазона измерений увеличивается точность выделения компонентов фликкерных и белых шумов в энергетических спектрах излучений для эталонного и контролируемого объектов.
Таким образом, в заявленном способе дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов все достоинства прототипа сохранены и умножены. При этом предлагаемый способ, в сравнении с прототипом, обеспечивает повышенные чувствительность и надежность диагностирования, а потому позволяет осуществлять достоверную экспресс-диагностику и мониторинг полных дефектностей контролируемых ЭЭ объектов, и в первую очередь ЭЭ объектов с большой занимаемой площадью и с многочисленным дискретным оборудованием.
Из сказанного следует, что предложенная совокупность общих и отличительных существенных признаков заявляемого способа дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов обеспечивает решение поставленной задачи и достижение желаемого технического результата.
Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов позволила увеличить чувствительность и надежность диагностирования, а потому сделала предлагаемый способ пригодным для выполнения достоверной экспресс-диагностики и мониторинга полной дефектности этих объектов, и в первую очередь больших по занимаемой площади ЭЭ объектов.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретение решило поставленную задачу.
При этом заявляемое изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, так как оно не следует явным образом из известных технических решений.
Реализацию заявляемого способа дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов продемонстрируем на примере диагностирования полной дефектности типового открытого распределительного устройства (ОРУ) распределительной электрической подстанции (ПС), включающей в себя протяженные части ВВ шин с напряжениями 500 kV, 220 kV и нескольких десятков единиц дискретного оборудования, типа силовых автотрансформаторов, трансформаторов напряжения, трансформаторов тока, управляемого шунтирующего реактора и прочих аналогичных единиц, подключенных к указанным ВВ ЛЭП.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен (в логарифмическом масштабе по обеим осям) энергетический спектр излучения горизонтальной поляризации тестируемого ОРУ ПС (эталонного ЭЭ объекта), снятый в номинальном режиме ее эксплуатации в начале ОРУ (непосредственно под ЛЭП-500 в месте подключения последней к ОРУ-500) в рекомендуемом в предлагаемом способе основном частотном диапазоне f = 3 kHz-300 МHz (отличном от таковых в прототипе и в других известных дистанционных способах-аналогах) с применением широкополосной измерительной антенны горизонтальной поляризации и управляемого компьютером промышленного анализатора спектра «NS-30A» в июне 2010 года. Указанное ОРУ по данным способов [4,7] показало достаточно слабую полную дефектность на момент проведения испытаний в июне 2010 года, и потому принята нами за эталонный (первый) ЭЭ объект при демонстрации заявляемого дистанционного способа.
На фиг.2 представлен (в логарифмическом масштабе по обеим осям) энергетический спектр излучения горизонтальной поляризации того же диагностируемого ОРУ, снятый в номинальном режиме ее эксплуатации, в начале ОРУ и в частотном диапазоне f = 3 kHz-300 МHz с помощью тех же метрических средств в июле 2014 года. Данное ОРУ после 4-х лет непрерывной эксплуатации стало теперь контролируемым (вторым) ЭЭ объектом.
G1
G2
На фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения: S(f), S(f) – энергетические спектры электромагнитных излучений горизонтальной поляризации для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов в dB(W)/Hz;
f - частота анализа спектров в Hz;
G1
W,
G2
W
G1
F
F1
G2
F
F2
F1,
F2
v1
v2
(S) (S)и (S)= C/f , (S)= C/f  - компоненты белых и фликкерных шумов в спектрах для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов в dB(W)/Hz (показаны пунктирными линиями); СС - размерные параметры линейных аппроксимаций фликкерных компонентов шумов в dB(W)/Hz в спектрах для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов, зависящие от концентрации дефектов в изолирующих слоях оборудования этих объектов;
1
2
v, v – безразмерные параметры линейных аппроксимаций фликкерных компонентов шумов, характеризующие средние наклоны этих компонентов в спектрах для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов;
1
2
f, f - частоты раздела в Hz областей доминирующего действия фликкерных и белых компонентов шумов в спектрах для эталонного (первого) и контролируемого (второго) ЭЭ объектов.
c
c
В левой части спектра фиг.1, на частотах анализа f = 3-17 kHz, видны пики квазигармонических колебаний с частотами верхних гармоник промышленной сети mf, где f = 50 Hz, m = 90, 170, 250, 330. Затем, на частотах анализа f = 17-180 kHz следует участок чистого фликкерного шума, протяженностью чуть более декады, в средней части которого имеется небольшой квазигармонический пик с частотой 75 kHz.
В правой части спектра фиг.1, на частотах анализа f = 230 kHz -1 MHz, наблюдается участок практически чистого белого шума, протяженностью около 0.7 декады (за исключением трех квазигармонических пиков умеренной величины с частотами 550, 600 и 800 kHz). Разрыв в спектре на частотах f = 1,0-2,2 МHz обусловлен техническими причинами. Затем, на частотах f = 2,2-300,0 МHz видны пики квазигармонических составляющих, изредка прерываемые короткими участками белого шума с частотами: 2,6-4,2 МHz, 8,0-9,0 МHz, 10-12 МHz, 22-49 МHz, 51-53 МHz, 60-70 МHz, 110-120 МHz, 130-170 МHz и 240-300 МHz.
G1
F
F1
min
F
F
F1
1
v1
Выполняя для участка спектра фиг.1 с частотами f = 6-180 kHz линейную аппроксимацию зависимостью вида (S) = C/ f  для набора экспериментальных точек a,b,c,…,y, численностью 20-30 и более (при недостаточной численности точек спектральные измерения следует продолжить в низкочастотной области вплоть до минимальной запасной рекомендуемой частоты f= 300 Hz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в энергетическом спектре излучения горизонтальной поляризации для эталонного ЭЭ объекта в интервале интенсивностей, равном утроенной статистической погрешности измерения на частотах действия фликкерных шумов 3ß (величина 3ß в нашем случае на частотах f = 6-180 kHz составляла 4,5 dB), выделим фликкерный компонент шума в спектре для эталонного (первого) ЭЭ объекта (наклонная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений) и определим его параметры: С= - 81 dB(W)/Hz, v = 1,8.
max
W
W
G1
W
1
G1
W
1
1
1
Аналогично, выполняя на частотах f = 230 kHz-300 MHz (см. фиг.1) аппроксимацию линией, параллельной оси частот f, набора экспериментальных точек A,B,C,…,Y, численностью 10-20 и более (при недостаточной численности точек спектральные измерения следует продолжить в высокочастотной области вплоть до максимальной запасной рекомендуемой частоты f= 3 GHz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в энергетическом спектре излучения горизонтальной поляризации для эталонного ЭЭ объекта в интервале интенсивностей, равном удвоенной погрешности измерения на частотах действия белых шумов 2ß (величина 2ß в нашем случае на частотах f = 230 kHz-300 MHz составляла 2 dB ), выделим компонент белого шума с равномерным спектром (горизонтальная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений), определим его спектральную плотность (S)и уточним значение частоты f, разделяющей области доминирующего действия компонентов фликкерного и белого шумов в спектре излучения для эталонного ЭЭ объекта: (S) = - 176 dB(W)/Hz и f = 200 kHz (частота f соответствует точке zна пересечении линейных пунктирных аппроксимаций для фликкерного и белого компонентов шумов). Отметим, что указанные процедуры в способе-прототипе и в других известных дистанционных способах-аналогах для эталонного ЭЭ объекта не выполняются.
c
c
В левой части спектра фиг.2, на частотах анализа f = 3-14 kHz, видны пики квазигармонических колебаний с частотами верхних гармоник питающей промышленной сети mf, где f = 50 Hz, m = 90, 130, 170, 210, 250. Далее, на частотах анализа f = 14-120 kHz, следуют небольшие участки фликкерных шумов с частотами: 14-45 kHz, 70-95 kHz, 105-120 kHz, чередующиеся с интенсивными квазигармоническими составляющими.
В правой части спектра фиг.2, на частотах анализа f = 120 kHz-300 МHz, наблюдается «густой лес», состоящий из интенсивных пиков квазигармонических составляющих, изредка прерываемых на высоких частотах короткими участками белого шума с частотами: 70-80 МHz, 110-130 МHz, 150-200 МHz и 240-300 МHz.
G2
F
F2
min
F
F
F2
2
v2
Выполняя для участка спектра фиг.2 с частотами f = 5,6-120,0 kHz линейную аппроксимацию зависимостью вида (S) = C/ f  для набора экспериментальных точек a,b,c,…,y, численностью 20-30 и более (при недостаточном числе точек спектральные измерения следует продолжить в низкочастотной области вплоть до минимальной запасной рекомендуемой частоты измерений f = 3 Hz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в спектре излучения горизонтальной поляризации для контролируемого ЭЭ объекта в интервале интенсивностей, равном утроенной погрешности измерения на частотах действия фликкерных шумов 3ß (величина 3ß в нашем случае на частотах f = 5-120 kHz составляла 4,5 dB), выделим компонент фликкерного шума в спектре излучения для контролируемого (второго) ЭЭ объекта (наклонная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений) и определим его параметры: С= - 76 dB(W)/Hz, v = 1,4.
Аналогично, выполняя на частотах f = 70-300 MHz (см. фиг.2) аппроксимацию линией, параллельной оси частот f, набора экспериментальных точек A,B,C,…,Y, численностью 10-20 и более (при недостаточном числе экспериментальных точек спектральные измерения следует продолжить в высокочастотной области вплоть до максимальной рекомендуемой запасной частоты fmax = 3 GHz), соответствующих локальным минимумам спектральных плотностей в спектре излучения для контролируемого ЭЭ объекта в интервале интенсивностей, равном удвоенной статистической погрешности измерения на частотах действия белых шумов 2ßW (величина 2ßW в нашем случае на частотах f = 60-300 MHz составляла 2 dB), выделим компонент белого шума с равномерным спектром (горизонтальная пунктирная линия с экстраполяцией на весь частотный диапазон измерений), определим его спектральную плотность (SG2)W и уточним значение частоты f2, разделяющей области доминирующего действия компонентов фликкерного и белого шумов в спектре излучения для контролируемого ЭЭ объекта: (SG2)W = - 156 dB(W)/Hz и f2 = 500 kHz (частота f2 соответствует точке пересечения z2 экстраполированных линейных аппроксимаций для компонентов фликкерного и белого шумов). Указанные процедуры для контролируемого ЭЭ объекта тоже не выполняются в прототипе и в известных дистанционных способах-аналогах.
Как видим, интенсивность белого шума в энергетическом спектре излучения горизонтальной поляризации для контролируемого ЭЭ объекта превосходит таковую в спектре для эталонного объекта на 20 dB, что является косвенным признаком (применительно к заявляемому способу) увеличенной дефектности контролируемого объекта в сравнении с эталонным ЭЭ объектом.
2
В заявляемом способе для определения полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта предлагается выполнить численную оценку разности интенсивностей компонентов фликкерных шумов в спектрах излучений горизонтальной поляризации для контролируемого и эталонного объектов на максимальной частоте доминирующего действия фликкерного компонента шума в спектре для контролируемого (второго) объекта, т.е. в нашем случае на частоте f = 500 kHz.
2
2
2
G2
2
F
G1
2
F
1
Поэтому далее фиксируем для точек z (фиг.2) и z (фиг.1), соответствующих частоте анализа f = 500 kHz, значения спектральных плотностей фликкерных компонентов шумов в спектрах для контролируемого и эталонного ЭЭ объектов и получаем: (S(f))= - 156 dB(W)/Hz и (S(f)) = - 183 dB(W)/Hz.
2
2
Как видим, интенсивность фликкерного компонента шума на частоте f = 500 kHz в спектре излучения для контролируемого объекта превосходит таковую на той же частоте f в спектре для эталонного объекта на 27 dB, что на 7 dB больше разницы интенсивностей белых шумов в указанных спектрах.
Последнее обстоятельство означает, что в рассматриваемом нами примере практической реализации заявляемого дистанционного способа чувствительность диагностирования дефектности контролируемого ЭЭ объекта оказалась на 7 dB выше, чем в способе-прототипе. Причем, с ростом чувствительности в предлагаемом способе повышается и надежность диагностирования полной дефектности контролируемого объекта. (5)
F
F
2
Попутно отметим, что на средней (в логарифмическом масштабе) частоте f*=30 kHz для фликкерных участков спектров ЭЭ объектов в нашем примере практической реализации разность интенсивностей фликкерных компонентов шумов в спектрах для контролируемого и эталонного объектов составляет только 22 dB (см. фиг.1, 2), т.е. с точностью до погрешности измерений совпадает с разницей интенсивностей белых шумов в спектрах для этих объектов. Это значит, что выигрыш в чувствительности диагностирования полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта отсутствует при фиксировании интенсивностей фликкерных компонентов шумов в спектрах для эталонного и контролируемого объектов на частотах f* и ниже (следствие уменьшения наклона компонента фликкерного шума в спектре для контролируемого ЭЭ объекта с ростом дефектности последнего) и что в заявляемом способе фиксация интенсивностей фликкерных компонентов шумов в спектрах эталонного и контролируемого объектов оптимизирована, т.е. в пределах доминирующего действия фликкерных шумов в спектре для контролируемого объекта фиксация и сравнение уровней фликкерных шумов в спектрах контролируемого и эталонного объектов на частоте f обеспечивает максимальную чувствительность диагностирования полной дефектности контролируемого объекта. (6)
Теперь, используя результаты (5,6) и критерии (1-4), мы можем в нашем примере практической реализации заявляемого способа с чувствительностью, увеличенной в сравнении с прототипом на 7 dB, и с повышенной надежностью диагностирования оценить полную дефектность контролируемого ЭЭ объекта на июль 2014 года как умеренную (заключение подтверждено способами [4, 7]). С ростом полной дефектности контролируемого ЭЭ объекта указанный выигрыш в чувствительности диагностирования в предлагаемом способе будет расти и составит в нашем примере: 14 dB - при сильной дефектности, 21 dB - при опасной дефектности.
Приведенный пример практической реализации заявляемого способа дистанционного контроля технического состояния ЭЭ объектов убедительно доказывает новизну, практическую значимость и преимущества этого способа над прототипом и другими известными дистанционными способами-аналогами как в плане увеличения чувствительности и надежности диагностирования, так и в плане пригодности этого способа для осуществления достоверной экспресс-диагностики и мониторинга полных дефектностей указанных объектов, и в первую очередь ЭЭ объектов с большой занимаемой площадью многочисленным дискретным оборудованием.
Источники информации
1. Глухов О.А., Коровкин Н.В., Балагула Ю.М. Методика оценки параметров частичных разрядов в высоковольтной изоляции при относительных измерениях их импульсных электромагнитных полей. Труды 4-ого Международного симпозиума по электромагнитной совместимости, С.-Петербург, 2001.
2. Клоков В.В., Лосев В.Л., Попович А.Б., Силин Н.В., Шевердин Д.Г. Развитая излучающая модель электроэнергетического оборудования. Электро, №2, Москва, 2011.
3. Dima M., Losev V. Generating electromagnetic fluctuations by electric condenser. Proceedings of the 8-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. St.-Petersburg, 2009.
4. Патент RU 2611554 C1, опубликован 28.02.2017 - прототип.
5. Klokov V., Losev V., Silin N., Sheverdin D., Tsepennikov D. Flicker-Noise Diagnostics of Power Electric Equipment. Proceedings of International Symposium on Electromagnetic Theory (EMTS-2010), Berlin, August, 2010.
6. Brzhesinskiy A., Losev V., Ri Bak Son. Diagnostics of Electronic and Biological Systems by Flikker-Noise. Proceedings of the 10-th Session of the Russian Acoustics Society, Section Noise and Vibration, v.3, Moscow, RAES, 2000.
7. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. РД 153-34.0-46.302-00, РАО «ЕЭС России», Департамент научно-технической политики и развития РФ, М., 2001.