Главная Почта Карта сайта

English

Русский

614000, Россия, Пермь,
ул. Пермская, 70, офис 403
Тел.:(342) 212-23-18
Тел./факс:(342) 212-84-74
E-mail : dimrus@dimrus.ru

Посмотреть карту проезда Карта проезда

Измерение частичных разрядов в изоляции трансформаторного оборудования

Датчики на ПИН ввода

Оценка технического состояния изоляции маслонаполненных трансформаторов, по уровню и распределению частичных разрядов, является одной из наиболее сложных технических задач для рассматриваемого нами метода диагностики. Однако, с другой стороны, этот вопрос является очень важным для службы эксплуатации высоковольтного оборудования. Это приводит к тому, что очень часто не совсем подготовленные специалисты в области анализа измерения и анализа частичных разрядов , по просьбе служб эксплуатации, берутся за решение этой задачи. Большая часть отрицательного отношения практиков к применению метода анализа состояния изоляции по частичным разрядам возникло и возникает по причине таких неподготовленных работ.

Основной проблемой, возникающей при проведении измерений частичных разрядов в изоляции высоковольтных трансформаторов, является очень сложная отстройка от помех.

Причин этому несколько:

Во-первых, мощные силовые трансформаторы, по своему назначению, всегда являются узлами энергосистем, непосредственно вокруг которых устанавливается достаточно много другого, вспомогательного и измерительного высоковольтного оборудования, в котором также могут возникать частичные разряды. Все эти высокочастотные импульсы, в той или иной мере, по соединительным линиям, или путем электромагнитного излучения, наводятся в контролируемом трансформаторе.

Во-вторых, практически к каждому трансформатору подключены одна или несколько воздушных линий электропередачи, «собирающие» с большой территории грозовые и иные высокочастотные импульсы. Эти импульсы часто имеют большую амплитуду, регистрируются измерительными приборами, и существенно затрудняют анализ «внутренних» частичных разрядов, возникающих в изоляции самого трансформатора.

В-третьих, чаще всего, высоковольтные трансформаторы располагаются на открытых подстанциях, поэтому их работу всегда сопровождает большое количество коронных разрядов, интенсивность которых зависит от многих параметров – температуры и влажности воздуха, состояния поверхностей изоляторов и т. д. Чем выше рабочее напряжение трансформатора, тем больше проблем от коронных разрядов возникает при проведении измерений.

В-четвертых, работа трансформаторов часто сопровождается существенными изменениями нагрузочных и тепловых режимов. Кроме того, в трансформаторах присутствуют устройства, изменяющие их параметры в процессе работы, например РПН. В результате частичные разряды в изоляции трансформаторов могут иметь нестационарный характер, увеличиваться и уменьшаться, и даже появляться и исчезать.

Все эти четыре причины приводит к тому, что большое количество практических измерений частичных разрядов в трансформаторах являются некорректными. Чаще всего это происходит из-за низкой избирательной способности применяемой аппаратуры, реже из-за недостаточной квалификации экспертного персонала, который не может использовать все возможности имеющейся аппаратуры.

В результате за «импульсы частичных разрядов в трансформаторе», выдаются любые высокочастотные импульсы помех, от которых диагносту просто не удалось отстроиться. Естественно, что выполненный на основе некорректных замеров анализ распределения частичных разрядов, не имеет практической пользы, если даже не сказать о получении вреда. Следствием этого является все еще широко распространенное мнение о низкой информативности проведения измерений частичных разрядов.

Только правильно собранные измерительные схемы, позволяющие, в максимальной степени, отстроится от помех, могут быть рекомендованы для проведения измерений. Если в результате измерений удается зарегистрировать частичные разряды, то в этом случае, желательно, провести дополнительные измерения и исследования, включая в анализ техническое состояние рядом расположенного высоковольтного оборудования. Только после подтверждения первичных измерений можно будет уверенно говорить о наличии в трансформаторе частичных разрядов.

Резюмируем наши рассуждения кратко. Всем хочется измерять частичные разряды в трансформаторах, но это не простая задача. Если можно, начните набирать свой диагностический опыт на оборудовании другого типа, этим непростым шагом для себя шагом, вы избежите достаточно неприятных ситуаций.

Измерение частичных разрядов при помощи электромагнитных контактных датчиков

Установка «HF» датчиков частичных разрядов

Подключение первичных датчиков к ПИН вводов трансформаторов

В трансформаторном оборудовании наиболее информативным местом для установки датчиков частичных разрядов являются высоковольтные вводы. Это, практически единственное место в баке трансформатора, через которое возможно проведение регистрации электромагнитной информации о техническом состоянии внутренней изоляции, и на котором можно стационарно, или временно, смонтировать датчик частичных разрядов.

Конструктивно, ввод представляет собой проводящий стержень, заключенный в изолирующий корпус из керамики или другого диэлектрика, по которому протекает ток. Внутри корпуса ввода находится изолирующая среда. Во вводах с бумажной изоляцией это масло, а во вводах с твердой изоляцией, чаще всего это RIP изоляция, компаунд. Для снижения напряженности поля внутри ввода, от верха до корпуса бака трансформатора, ее распределяют, «выравнивают» по высоте ввода.

С этой целью вокруг проводящего стержня, располагаются изолированные друг от друга слои фольги, имеющие различную ширину, уменьшающуюся по ширине, по мере удаления от проводящего стержня. В результате этого весь высоковольтный потенциал, приложенный к вводу, равномерно распределяется по высоте, вдоль изоляционной покрышки, и максимальная удельная напряженность электрического поля, по высоте ввода, усредняется.

Схема высоковольтного ввода

Последняя, внешняя обкладка остова ввода, наиболее узкая, при помощи специального стержня с пружиной, или иным образом, выводится на внешнюю поверхность ввода, где принудительно замыкается на корпус ввода (бака трансформатора). Этот вывод в нашей литературе называется ПИН, а в зарубежной литературе обозначается термином «Test Tap». Для безопасности вывод ПИН ввода всегда закрывается защитным колпаком. Количество взаимно изолированных обкладок во вводе зависит от величины рабочего напряжения, и может достигать у высоковольтных вводов нескольких десятков. Суммарная емкость ввода измеряется между проводящим стержнем и последней обкладкой, выведенной на ПИН (PIN), является очень важным параметром состояния ввода. Величина этой емкости обозначается как «C1», это нормируемый параметр, значение этой емкости периодически контролируется во время испытаний.

Величина этой емкости, равная для стандартных вводов 500 - 600 pF, вне зависимости от рабочего напряжения ввода, примерно одинакова. Кажущийся парадокс, когда ввод на 110 кВ и на 500 кВ имеют одинаковую емкость, объясняется очень просто. С ростом геометрических размеров ввода, при росте рабочего напряжения, емкость должна расти. Однако при этом растут геометрические размеры ввода, увеличивается расстояние между его крайними обкладками, что приводит к уменьшению емкости. Размеры ввода растут, от этого растет емкость, но при этом растет расстояние между обкладками, что уменьшает емкость «C1». В результате мы имеем некоторое обобщенное значение емкости ввода «C1», примерно одинаковое для всех вводов, если не рассматривать специальные исполнения вводов.

Емкость ввода, от стержня до крайней обкладки, для высокочастотных импульсов является достаточно малым сопротивлением. Чем выше частота импульса, тем лучше его измерять, используя емкость ввода. Для справки отметим, что величина грозовых импульсов через емкость «C1» может достигать 1 кА, в то время как ток проводимости промышленной частоты через емкость ввода не превышает 0,1 А.

Отсюда очень важное следствие – высоковольтный ввод трансформатора, имеющий вывод от крайней обкладки на внешний вывод типа ПИН, является идеальным датчиком, идеальным конденсатором связи, предназначенным для измерения частичных разрядов. Лучшего датчика высокочастотных импульсов в трансформаторе нам не найти. Измерительным ПИН снабжаются все вводы, с рабочим напряжением 110 кВ и выше.

Надо отметить, что на практике встречаются ввода, имеющие по два вывода на внешний разъем, от последней обкладки ввода, и от предпоследней обкладки. В зарубежной литературе они называются «Test Tap», это вывод от последней обкладки, о котором мы уже упоминали, и «Potential Tap», вывод от предпоследней обкладки. Назначение вывода «Test Tap» вполне понятно, с его помощью, обычным образом, контролируется состояние изоляции ввода. Вывод «Potential Tap» предназначается для отбора небольшой мощности от ввода, используемой на цели управления и защиты трансформатора. В стандартных условиях эксплуатации оба эти вывода обычно заземляются, т. к. отбор мощности от ввода, на практике, применяется достаточно редко.

По этой причине на полной схеме замещения ввода на рисунке показаны три конденсатора – «C1», «C2» и «C3». Физический смысл этих емкостей понятен из рисунка. Реально, когда вывод «PT» у ввода отсутствует, то емкость «C2» автоматически суммируется с емкостью «C1». Именно по этой причине в литературе используется понятие емкости «C3», а не используется обозначение «C2». Просто обычно мы используем схему замещения ввода с одним выводом, т. е. упрощенную схему замещения ввода.

Для регистрации импульсов частичных разрядов, протекающих через ввод из трансформатора (эти сигналы и интересуют нас), и в трансформатор (это сигналы помех), а также возникающих непосредственно в изоляции самого ввода, необходимо датчик частичных разрядов включить в электрическую цепь заземления ПИН. Скажем сейчас, а потом еще несколько раз повторим ниже, что цепь заземления ПИН ввода, во время работы трансформатора, размыкать нельзя! В эту цепь можно вставить активное сопротивление, или емкостное, но полного разрыва цепи заземления ПИН быть не должно.

Измерение ЧР

На рисунке приведена схема ввода, и схемы замещения при подключении к ПИН различных датчиков частичных разрядов. На схема «а» показан ввод с одним выводом, который отключен от земли. Мы видим, что схема замещения представляет собой обычный емкостный делитель, величина напряжения, на выходе которого, определяется соотношением величин емкостей. Если принять, что соотношение величин емкостей ввода «C1» и «С3», обычно равняется 1 к 10, то напряжение на выходе, обозначенное на рисунке «U2», составит в таком режиме 10% от общего напряжения «U1», приложенного к вводу. Это напряжение опасно не только для отключенного от земли вывода ПИН, оно особенно опасно для изоляции между последней обкладкой ввода и заземленным корпусом ввода. Как правило, в таком режиме в изоляции возникают опасные нарушения.

Для исключения такого режима работы все выводы ПИН ввода должны всегда быть заземлены, или подключены к земле через «небольшое сопротивление». Попробуем определиться с величиной, и типом этого «небольшого сопротивления».

С точки зрения теории электрических цепей, относительно внешнего добавочного сопротивления, ввод трансформатора является источником тока, а не источником напряжения. Для примера рассмотрим источник тока, работающий с точностью 0,1%. Не углубляясь в теорию, и не стремясь к полной точности изложения материала, скажем, что у такого источника внутреннее сопротивление должно в 1000 раз превышать сопротивление подключенной нагрузки. В результате выходной ток с ПИН, обычно называемый током проводимости ввода, не будет зависеть от величины нагрузочного сопротивления.

Дальше все будет также просто. Если мы подключаем наше внешнее нагрузочное сопротивление к выводу ПИН, то это обозначает, что мы подключаем его, на первом этапе, последовательно с емкостью «C1». Таким образом, можно говорить, что допустимая величина внешнего «небольшого сопротивления», должна быть в тысячу раз меньше, чем величина реактивного сопротивления емкости «C1», естественно на частоте 50 Гц.

Проведя простые расчеты, мы получим, что величина внешнего (активного) сопротивления, подключаемого к ПИН ввода, не должна быть больше 5 кОм. В этом случае такое «небольшое сопротивление» не окажет заметного влияния (точность 0,1%) на величину тока проводимости ввода. Следуя простой логике, мы также определим напряжение промышленной частоты, которое будет выделяться на таком сопротивлении. Поскольку мы имеем делитель напряжения, в котором все определяется соотношением сопротивлений делителя, то выходное напряжение составит одну тысячную часть от напряжения, приложенного к вводу. Например, для ввода 500 кВ оно составит величину в несколько вольт. Все эти выкладки иллюстрируются  схемой «b».

Но это только оценочный анализ влияния внешнего сопротивления на работу ввода, выполненный для нормального режима работы ввода. Как всегда бывает на практике, выход оборудования из строя происходит в переходных режимах работы. Попробуем разобраться, что произойдет с влиянием этого внешнего сопротивления при воздействии на ввод грозовых или коммутационных высокочастотных импульсов.

Представим, что по ЛЭП к вводу трансформатора пришел грозовой импульс с амплитудой, равной амплитуде рабочего напряжения. Частота этого импульса существенно выше промышленной частоты, и составит, например, 100 кГц. Т. е. частота этого импульса больше промышленной частоты в 2000 раз. Что произойдет при этом?

Величина емкостного сопротивления «C1», для этой частоты уменьшится в такой же пропорции, т. е. в две тысячи раз. При этом величина внешнего сопротивления «RD» останется неизменной, поскольку величина активного сопротивления с частотой не связана.

В результате такого, очень большого изменения соотношения сопротивлений в плечах делителя, на ПИН ввода будет поступать 66% от величины напряжения грозового импульса. Для напряжения 500 кВ, если все анализировать прикидочно, напряжение на ПИН, при приходе грозового импульса, составит около 300 кВ. Понятно, что это аварийный режим.

Необходимо хорошо понимать, что такой результат мы получаем в том случае, когда не учитываем емкость ввода «C3». Если ее учесть, эта схема показана на рисунке "c", то напряжение на ПИН, при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжениях, будет находиться на существенно более низком уровне. Оно будет равняться тем же 10%, как мы и определяли выше, для «нормального режима работы» при незаземленном выводе ПИН. Но и это напряжение является опасным для состояния изоляции ввода. По этой причине величина внешнего сопротивления не должна быть больше, чем 1 кОм. Идеальным вариантом является использование в качестве нагрузочного сопротивления внешней емкости, имеющей стабильные параметры.

Очень важным вопросом, требующим отдельного рассмотрения, является вопрос оценки влияния активного сопротивления на емкостный делитель, в плане анализа угловой погрешности измерения, возникающей при измерении тока проводимости ввода, т. е. точности измерения тангенса угла диэлектрических потерь. Поскольку в данной работе мы рассматриваем только вопросы измерения частичных разрядов, анализ этого вопроса мы опустим, предложив читателям самостоятельно анализировать эту проблему, или обратится к работам других авторов.

Подключение датчиков частичных разрядов к ПИН вводов трансформатора производится только на отключенном оборудовании. Различных конструкций ПИН, способа его заземления и типа крепления защитного колпачка у разных фирм – изготовителей вводов существует достаточно много, не менее 10 модификаций. При всем внешнем конструктивном многообразии назначение у всех ПИН одно – обеспечить надежное замыкание на землю токов проводимости ввода, и защиту от воздействия окружающей среды. Наиболее важное для нас отличие заключается в том, как производится замыкание ПИН на землю – при помощи заземляющего провода, или контактным путем.

Наиболее эффективным и безопасным способом установки датчиков и регистрации частичных разрядов на ПИН вводов силовых трансформаторов является использование датчиков стационарной конструкции.

Фирма «DIMRUS» серийно выпускает более 10 модификаций датчиков марки «DB-2», монтируемых на ПИН вводов. Краткое описание этих датчиков приведено в разделе 10. Эти датчики, по принципу своего действия, являются комплексными, позволяющими измерять как токи проводимости вводов, так и частичные разряды во вводе и в самом трансформаторе. Датчики стационарной конструкции предварительно, во время планового вывода трансформатора из работы, монтируются на вводах, выводы датчиков находятся в защитном шкафу, устанавливаемом рядом с трансформатором. Это дает возможность проводить измерения в любой момент времени, не связывая это с необходимостью отключения трансформатора. Переносной измерительный прибор подключается к разъемам на коммутационной плате, расположенной в шкафу, и проводятся измерения.

Установка датчиков марки «RFCT» в нейтрали силовых трансформаторов

Нейтраль трехфазной обмотки трансформатора - это второе место, куда чаще всего монтируют высокочастотные датчики, когда планируется проведение регистрации частичных разрядов в трансформаторах. Причина этого вполне понятна – это второй вывод от всех фазных, высоковольтных обмоток трансформатора. Другого «прямого» доступа к обмоткам трансформатора, кроме уже выше описанного измерительного вывода высоковольтного ввода, ПИН, у трансформатора нет.

Датчик марки «RFCT-4» специально разрабатывался фирмой «DIMRUS» для монтажа в нейтрали первичной обмотки силового трансформатора. Он имеет разъемную конструкцию и внутреннее отверстие большого диаметра. Благодаря такому исполнению он может быть легко смонтирован на нейтрали трансформатора (трубе, шине, проводе), имеющей большой диаметр, без демонтажа элементов цепи заземления нейтрали высоковольтной обмотки трансформатора.

Существуют две особенности монтажа датчика марки «RFCT-4» на проводниках заземления нейтрали, по которым достаточно часто протекает ток промышленной частоты, имеющий большую величину, в сотни и более ампер. Мы не будем обсуждать причины возникновения этого тока, лишь отметим, что это является свойством трехфазной линии, имеющей изолированную нейтраль. Рассмотрим только особенности монтажа датчика.

Во-первых, при протекании тока промышленной частоты через датчик марки «RFCT-4», являющийся высокочастотным трансформатором тока, происходит насыщение ферромагнитного сердечника датчика, в результате чего падает его чувствительность к высокочастотным сигналам. Поскольку мы не можем повлиять на величину промышленного тока, протекающего в нейтрали, то единственным способом уменьшения насыщения сердечника датчика является его размыкание.

С этой целью в зазор датчика, между половинами сердечника, устанавливается немагнитная прокладка из изолирующего материала. Оптимальная толщина прокладки должна составлять 3 – 5 мм. Меньшее значение толщины прокладки соответствует току промышленной частоты до 500 А, большее соответствует току до 1000 А. При этом чувствительность датчика ухудшается не более, чем на 20%. Во-вторых, в реальных условиях эксплуатации трехфазных трансформаторов возможны два режима работы, с изолированной нейтралью, или с заземленной. Это связано с компенсацией емкостных токов замыкания одной из фаз линии на землю. Важным является то, что режим работы нейтрали может изменяться даже в процессе работы трансформатора.

Схема включения датчика для измерения частичных разрядов

На рисунке приведена схема включения обмоток и нейтрали трансформатора 110 kV. На рисунке показано, что датчик частичных разрядов марки RFCT-4 может быть установлен в двух точках, до заземляющего рубильника, и после него. На практике, чаще всего, датчик удобнее монтировать между рубильником и землей (на рисунке это слева). Это сделать так удобнее потому, что обычно сам рубильник монтируется на отдельной опоре, стоящей рядом с контролируемым трансформатором, и подключается проводом.

Внимание! Установка датчика частичных разрядов слева от рубильника (на рисунке) категорически запрещена. Это объясняется тем, что при разомкнутом рубильнике, в цепи нейтрали трансформатора, возможно, обычно во время коммутации, появление кратковременных, импульсных напряжений большой величины. Они могут достигать фазного значения, и даже быть больше. В основном это бывает при включении трансформатора, и при различных коммутационных процессах внутри энергосистемы. К нашему сожалению, случаи разрушения измерительного оборудования, из-за неправильного монтажа датчика частичных разрядов в нейтрали трансформатора, не так уж редки.

Следует всегда помнить, что внутренняя изоляция датчика «RFCT-4», как и всех остальных датчиков из этой серии, рассчитана на безопасную работу в цепях с рабочим напряжением до 1000 V. Наилучшим вариантом является установка этого датчика на заземленных элементах контролируемого объекта. При возникновении больших перенапряжений происходит пробой внутренней изоляции, выход датчика из строя, повреждение измерительного прибора, и даже возможно поражение обслуживающего персонала!

Датчик частичных разрядов марки «RFCT-4» может устанавливаться в цепи нейтрали трехфазного трансформатора только на заземленной части цепи, после рубильника, как это показано на схеме рисунка. Все другие варианты неприемлемы по условиям соблюдения правил безопасности, действующих при проведении измерительных работ на высоковольтном оборудовании.

Использование датчика частичных разрядов «RFCT-4» в нейтрали трехфазного трансформатора позволяет лучше отстраиваться от помех, приходящих в контролируемый трансформатор по питающей сети. Ниже мы покажем, как для этого можно использовать датчик «RFCT-4» в нейтрали обмотки.

Способы отстройки от влияния коронных разрядов при регистрации частичных разрядов в трансформаторах

Вопросам отстройки от влияния коронных разрядов, при измерении частичных разрядов в трансформаторах, мы посвятим отдельный раздел. В высоковольтных силовых трансформаторах, в зависимости от класса рабочего напряжения, уровень коронных разрядов может в десятки раз превышать допустимые предельные уровни частичных разрядов, возникающих от самых опасных дефектов в изоляции трансформаторов. Если не проводить эффективной отстройки от коронных разрядов, то возможность «пропуска» частичных разрядов при проведении измерений очень велика.

По этой же причине мы не рекомендуем использовать для измерения частичных разрядов в трансформаторах простую одноканальную аппаратуру, а тем более обычные осциллографы, пусть даже цифровые. Применение такой аппаратуры для измерений, а тем более анализ полученной ими информации, с вероятностью в 90% приведут к получению ложных диагностических заключений.

Это является важнейшим вопросом, определяющим достоверность оценки технического состояния изоляции трансформаторов – имеете ли вы необходимый объем методических, технических и алгоритмических наработок для того, чтобы исключить из рассмотрения импульсы коронных разрядов? Если да, то вы в состоянии заниматься измерением частичных разрядов в трансформаторах. Если нет, или вы сомневаетесь, то от контроля состояния изоляции трансформаторов по частичным разрядам лучше уклониться под любым предлогом. Потому что достоверность ваших измерений, а, следовательно, и ваших диагностических заключений, будет неприемлемо мала. Пострадает не только ваш профессиональный имидж, но и вообще отношение эксплуатационного персонала к методу регистрации и анализа частичных разрядов в трансформаторах.

Рассмотрим четыре, наиболее часто используемых при измерении частичных разрядов в трансформаторах, способа отстройки от влияния коронных разрядов. Естественно, таких способов на практике может быть использовано существенно больше, но эти являются наиболее эффективными, и часто встречающимися.

Отстройка от импульсов коронных разрядов по фазе питающего напряжения

Этот метод отстройки от коронных разрядов, хотя и приводится во всей литературе по анализу частичных разрядов в трансформаторах, имеет малое практическое применение. Знание этого метода является, в большей мере, методологическим, чем практическим. Оно помогает лучше понимать особенности проявления коронных разрядов в трансформаторном оборудовании. Реальной пользы от использования этого метода отстройки от импульсов коронных разрядов очень мало. Общий смысл этой отстройки по фазе питающего напряжения достаточно прост и понятен. Известно, что импульсы коронных разрядов возникают, и имеют максимальную амплитуду, на положительной полуволне питающего напряжения, на участке роста напряжения, и вблизи этого максимума синусоиды, и почти отсутствуют на отрицательной полуволне питающего напряжения. Эту особенность возникновения коронных разрядов мы уже объясняли выше.

Распределение импульсов частичных разрядов

Поэтому, для устранения влияния коронных разрядов, в положительной фазовой зоне синусоиды питающей сети, регистрацию частичных разрядов производить не следует. Это все наглядно иллюстрируется рисунком, где приведено распределение импульсов частичных разрядов на PRPD плоскости для однофазного, и трехфазного трансформаторов.

Как хорошо видно из первой части рисунка, соответствующей однофазному трансформатору, мы имеем такую картину распределения частичных разрядов, когда при разных полярностях питающего напряжения интенсивность частичных разрядов будет значительно различаться.

На диаграмме амплитудно-фазового распределения импульсов, которая всегда строится для «полной» синусоиды питающей сети, включающей обе полуволны, это хорошо видно. Такое распределение высокочастотных импульсов является важным признаком наличия коронных разрядов, которые являются помехой. Эти разряды необходимо убирать из рассмотрения возможных проблем в изоляции трансформатора.

На отрицательной полуволне питающего напряжения импульсы коронных разрядов также присутствуют, только интенсивность их существенно ниже.

При всей кажущейся простоте и эффективности такого подхода, сразу же возникает простой вопрос, а если и импульсы от возникшего дефекта в изоляции трансформатора будут проявляться именно в этой угловой зоне, когда мы не будем регистрировать частичные разряды? Понятно, что мы их не зарегистрируем, т. е. ряд возможных дефектов нами будет принудительно исключен из рассмотрения. Можно упрощенно считать, что не менее 50% возможных дефектов в изоляции трансформатора, мы автоматически исключаем из рассмотрения, а реально эта цифра составляет около 70%.

Это первый, и самый важный недостаток данного метода отстройки от влияния импульсов коронных разрядов. Есть и другие, не менее важные, недостатки этого способа отстройки от влияния импульсов коронных разрядов.

Во-вторых, и на отрицательной полуволне питающего напряжения присутствуют импульсы коронных разрядов, просто их интенсивность меньше. Следовательно, мы не избавляемся от всех импульсов коронных разрядов, а только от их части, правда от самой большой и опасной.

В-третьих, в трехфазном трансформаторе всегда происходит наложение коронных разрядов одной фазы на другую, особенно под воздействием линейного напряжения, а не фазного. В результате этого эта «классическая отстройка» от импульсов коронных разрядов существенно затрудняется, если не сказать, что становится невозможной. Это иллюстрируется второй частью рисунка. На этом рисунке на импульсы коронных разрядов в измеряемой фазе трансформатора накладываются импульсы от других фаз.

Именно этими тремя основными недостатками и объясняется тот реальный факт, что практического применения этот метод отстройки от коронных разрядов не имеет. Его используют только те диагносты, измерительная аппаратура которых несовершенна, или же они работают с обычными осциллографами.

Отстройка от «внешних» импульсов по времени прихода импульсов от нескольких датчиков

Этот способ отстройки от коронных разрядов в трансформаторах базируется на использовании стандартного метода разборки импульсов типа «time of arrival». Он позволяет отстраиваться от импульсов коронных разрядов, а также от всех импульсов помех, возникающих вне контролируемого трансформатора.

Измерение ЧР

Поясним использование этого метода снижения влияния помех для трансформаторов при помощи двух частей рисунка. На рисунке показана двухканальная синхронная схема регистрации частичных разрядов в трансформаторе. В этой схеме один измерительный датчик, марки «DB-2» , монтируется на ПИН высоковольтного ввода, а второй датчик, марки «RFCT-4», монтируется в цепи заземления нейтрали высоковольтной обмотки. Данная измерительная схема, например, реализована в системе мониторинга марки «TIM-3», и в ряде других приборов нескольких фирм – производителей диагностического оборудования для измерения частичных разрядов. Поскольку данная измерительная конфигурация предполагает сравнение времени прихода импульсов с нескольких датчиков, то мы напомним очень важную особенность, которая должна быть соблюдена при монтаже измерительного оборудования. Длины соединительных кабелей от первичных датчиков до измерительного прибора должны быть одинаковы, с точностью до десятка сантиметров. Это делается для того, чтобы время движения импульсов по этим кабелям, от датчиков к прибору, было одинаковым, и не мешало применению метода «time of arrival». В приведенной измерительной схеме длины соединительных кабелей подбираются еще более сложным образом, что мы поясним ниже.

При помощи рисунка иллюстрируются две ситуации, которые обычно возникают в процессе регистрации частичных разрядов в трансформаторе. В одном случае частичный разряд возникает внутри трансформатора, и электромагнитный импульс идет «из трансформатора» в питающую сеть. В другом случае электромагнитный импульс является внешним, наведенным извне, идущим через ввод «в контролируемый трансформатор». Рассмотрим эти два случая более подробно.

В первом случае будем рассматривать регистрацию импульса от частичного (вероятнее всего коронного) разряда, возникшего в верхней части ввода фазы «С» трансформатора. На рисунке, пунктиром показаны два пути, по которым электромагнитный импульс может передвигаться, и быть зарегистрирован нашим измерительным прибором. В качестве такого прибора на рисунке показана система мониторинга трансформатора TIM-3, в которой этот метод реализован.

В первом случае сигнал от внешнего коронного разряда проходит через емкость высоковольтного ввода в датчик «DB-2», а от него по соединительному кабелю в измерительный прибор системы мониторинга.

Во втором случае электромагнитный импульс попадает также через ввод внутрь трансформатора, электромагнитным путем «проходит» через трансформатор, и регистрируется датчиком марки RFCT, смонтированным в цепи нейтрали первичной обмотки. Далее импульс по соединительному кабелю поступает в прибор и регистрируется.

В нижней части рисунка показаны две условные временные диаграммы, иллюстрирующие взаимный временной сдвиг этих двух синхронно зарегистрированных сигналов, поступивших от двух датчиков. На этих диаграммах время прихода обоих импульсов в измерительный прибор показано одинаковое.

Выше мы уже говорили, что длины сигнальных кабелей для такой конфигурации измерительной схемы регистрации частичных разрядов подбираются особым образом. Эта особенность заключается в том, чтобы импульс от внешнего электромагнитного импульса, пришедшего в трансформатор через ввод, должен поступить на два измерительных входа системы мониторинга одновременно.

Это обозначает следующее - время прохождения импульса от датчика «DB-2» к прибору по соединительному кабелю, должно равняться времени «пролета» импульса через трансформатор от ввода к датчику RFCT в нейтрали обмотки, плюс время движения импульса по соединительному кабелю от датчика к прибору. Точка разветвления пути импульса – ввод в месте установки датчика «DB-2». Точка соединения путей этих импульсов – измерительный прибор, переносной или стационарный.

Особенность подборки длин соединительных кабелей в системе мониторинга марки «TIM-3», от датчиков к прибору, заключается в том, что подстройка времени прихода импульсов в прибор осуществляется не использованием кабелей одинаковой длины. Подбор заключается в том, что один измерительный кабель (от датчика марки RFCT) короче другого (от датчика марки «DB-2») на длину «полета» импульса внутри трансформатора. Как подбирать эту разницу в длинах мы скажем чуть ниже.

Если теперь высокочастотный импульс возникнет внутри трансформатора, как показано на правом рисунке, то на вход прибора, к которому подключен датчик в нейтрали, импульс придет раньше, чем на вход, к которому подключен датчик на ПИН ввода. На рисунке сделана попытка графически показать это. На нем видно, что импульсу, регистрируемому датчиком «DB-2», придется немного «вернуться назад», и он несколько запоздает по времени прихода в измерительный прибор. Время запаздывания зависит от места возникновения частичного разряда, и возрастает по мере удаления зоны дефекта от ввода. Это время будет максимальным в том случае, когда импульс частичного разряда возникнет в нейтрали первичной обмотки трансформатора.

Суммируя наши рассуждения о данном методе отстройки от коронных разрядов, можно сказать следующее. В правильно смонтированной измерительной схеме импульс от частичного разряда, возникшего внутри трансформатора, поступает в измерительный прибор с датчика, установленного в нейтрали трансформатора, раньше, чем с датчика, смонтированного на ПИН ввода.

Кажущаяся проблема сложной подгонки длин сигнальных кабелей, необходимая в данном методе, которую необходимо выполнить с точностью до 10?20 см, на практике не вызывает сложностей. На самом деле ее даже не приходится проводить, т. к. в современных приборах есть функции программной подгонки времени прихода импульсов. При проведении первичной калибровки измерительной схемы современные приборы сами выбирают необходимые временные сдвиги по входным каналам, что эквивалентно процедуре подгонки длин сигнальных кабелей.

Данная конфигурация измерительного прибора, предназначенная для отстройки от влияния коронных разрядов, очень эффективная на первый взгляд, не лишена некоторых существенных, кстати, очень очевидных недостатков. Их два.

Во-первых, верхняя часть высоковольтного ввода трансформатора, в данном методе отстройки от коронных разрядов, исключена из системы мониторинга и защиты. Импульсы, частичных разрядов, возникшие в изоляции верхней части ввода трансформатора, выше первичного датчика, установленного на ПИН ввода, будут измерительной схемой браковаться. Они будут считаться импульсами помехи, так как на оба измерительных входа прибора они придут одновременно. Этот недостаток не является критическим, т. к. в верхней части вводов дефекты в изоляции возникают кране редко. Влага и все опасные осадки и налеты обычно оседают в нижней части ввода.

Второй недостаток данного метода связан с условиями эксплуатации трансформаторов в энергосистемах. По условиям защиты ЛЭП от однофазных замыканий на землю, мы уже писали выше об этом, нейтраль трансформатора не всегда бывает подключена к земле, все зависит от заданного режима работы линии. При работе трансформатора в режиме, когда нейтраль, отключена от земли, данный метод отстройки от внешних помех, в основном от коронных разрядов, не работает.

Тем не менее, данный метод отстройки от коронных разрядов, несмотря на указанные недостатки, достаточно часто используется в системах мониторинга, особенно там, где нет проблем с подключением нейтрали обмотки к земле. Он прост, требует использования минимального количества дополнительных датчиков.

Отстройка от импульсов коронных разрядов при помощи сравнения полярности высокочастотных импульсов

Данный метод, применительно к использованию для отстройки от коронных разрядов в трансформаторах, имеет совершенно оригинальное приложение. Ни в каком другом типе высоковольтного оборудования, этот метод, с использованием такой интерпретации связи полярности импульса с местом его возникновения, не применяется.

Рассмотрение этого метода отстройки от коронных разрядов, с использованием полярности, начнем с напоминания о том, что импульс от одного и того же частичного разряда, возникший в изоляции высоковольтного оборудования, может иметь, при регистрации, различную полярность. Это может явиться следствием нескольких причин.

Во-первых, полярность регистрируемого импульса зависит, при всех прочих равных условиях, от электромагнитных свойств среды, окружающей зону дефекта. Под средой здесь мы понимаем электромагнитные свойства изоляции и рядом расположенных конструктивных элементов контролируемого оборудования.

Во-вторых, полярность импульса будет зависеть от электромагнитных свойств элементов оборудования, расположенных между зоной возникшего дефекта и местом установки датчика частичных разрядов.

В-третьих, полярность регистрируемого высокочастотного импульса частичного разряда зависит от типа используемого первичного датчика, места, и способа его установки на контролируемом оборудовании.

Первая причина, влияющая на полярность импульса высокочастотного разряда, а именно свойства среды, где возникает разряд, определяется внутренними параметрами контролируемого оборудования, и воздействовать на нее мы не в состоянии. Вторая и третья причины допускают некоторое модифицирующее воздействие на полярность регистрируемого импульса, которым может воспользоваться опытный диагност, проводящий измерения частичных разрядов.

Мы не имеем столько места в данной работе, чтобы более или менее подробно описать, как, качественно и количественно, влияют электромагнитные параметры среды, расположенной между зоной дефекта и измерительным датчиком, на полярность регистрируемого импульса. Причин к этому несколько.

  • К сожалению это невозможно сделать без применения сложного математического аппарата, описывающего процессы в зонах, обладающих различными свойствами и сложной геометрией.
  • Математические выкладки потребуют неоправданно много места, для того чтобы, доходчиво и корректно все описать.
  • Самое главное, это не принесет большой практической пользы, это достаточно «узкий» теоретический вопрос, смысл которого, для практических диагностов, достаточно просто можно только продекларировать.

Процедура сравнения полярностей двух импульсов, как элемент системы диагностики, широко используется в практических измерениях. Этот метод применяется в диагностических измерениях в кабельных линиях, шинопроводах, КРУ, но везде он имеет свои специфические особенности.

Разборка импульсов по полярности

Рассмотрим применение этого метода разборки по полярности импульсов для отстройки измерительной схемы от импульсов коронных разрядов. Как мы уже указывали не раз, это имеет очень большое значение при измерениях частичных разрядов в силовых трансформаторах. Как уже говорилось, это наиболее сложный случай измерения частичных разрядов в высоковольтном оборудовании. На рисунке показана наиболее часто встречающаяся схема установки первичных датчиков частичных разрядов на трансформаторе, включающая три датчика типа «DB-2», установленных на ПИН вводов (на рисунке показано только два датчика), и одного датчика типа «RFCT-4», установленного в цепи нейтрали (заземления) трансформатора. Такая схема, если максимально использовать ее потенциальные возможности, может обеспечить высокую достоверность получаемых результатов при использовании минимального количества первичных датчиков.

Представим, что коронный разряд возник на вводе фазы «С» (на рисунке она условно показана справа), в которой мы производим регистрацию частичных разрядов. В соответствии с классической теорией на выходе датчика «DB-2» ввода фазы «С» импульсный сигнал будет иметь отрицательную полярность. Это связано с компенсацией изменения распределения потенциалов внутри трансформатора, обусловленное частичным разрядом.

Очевидно, что большую часть энергии на компенсацию регистрируемого частичного разряда будет поступать из энергосистемы, но эта часть энергии нас не очень интересует, так как мы ее даже просто измерить не можем, у нас на схеме нет датчиков, позволяющих это сделать. Еще раз повторим, что этот импульс будет иметь отрицательную полярность.

Энергия на компенсацию регистрируемого коронного разряда в фазе «С» будет «выходить», частично, из трансформатора, т. е. мы будем регистрировать импульс, который будет двигаться вверх по трубе ввода, только этот импульс мы можем зарегистрировать. Почему нам интересен этот импульс, понятна, эта энергии также пойдет на компенсацию неравновесного состояния зарядов вокруг верхней части ввода трансформатора, возникшего после коронного разряда.

Самое интересное будет заключаться в том, что на выходе датчика «DB-2» фазы «В» выходной сигнал, наведенный от того же самого коронного разряда, будет иметь положительную полярность! Этот факт, заключающийся в смене полярности импульсов от коронного разряда, регистрируемых на других фазах трансформатора, многократно подтверждался экспериментальными данными, и имеет определенное физическое и математическое обоснование и объяснение.

Достаточно примитивно этот факт можно объяснить следующим образом. Если часть энергии коронного разряда, пусть и небольшая (но ведь именно ее мы и регистрируем своими датчиками и приборами), компенсируется «изнутри трансформатора», то эта часть энергии может поступить «внутрь трансформатора» только по вводам других фаз. Эта часть компенсируемой энергии должна «войти» в трансформатор по вводам фаз «А» и «В». Эта энергия является конечной (или начальной?) частью цепочки, по которой идет компенсация воздействия коронного разряда.

Если вспомнить временную диаграмму трехфазных напряжений, то становится понятным, почему при положительном напряжении на контролируемой фазе трансформатора, вблизи максимума, напряжения на фазах «В» и «С» будут иметь противоположный, отрицательный знак. Поэтому и высокочастотные импульсы в этих фазах трансформатора будут иметь другой знак, положительный.

Далее все немного понятнее. Принцип работы метода отстройки от помех по полярности сигналов в трансформаторе звучит следующим образом: Если направление движение импульсов во вводах фаз «А» и «В» будет противоположным направлению движению импульса в фазе «С», при отрицательной полярности напряжения на фазе «С», то и полярность высокочастотных импульсов, на выходе соответствующих датчиков в этих двух фазах, будет иметь полярность, которая противоположна полярности высокочастотных импульсов в фазе «С».

Завершим все эти рассуждения формулированием простого диагностического правила, отражающего суть данного метода отстройки от помех. Эта суть отражается двумя простыми предложениями:

  • Если высокочастотный импульс (от частичного разряда) возник внутри трансформатора, то полярность импульсов на ПИН всех трех фаз трансформатора будет иметь одинаковый знак, неважно какой, но одинаковый.
  • Если высокочастотный импульс (например, от коронного разряда) возник вне трансформатора, то сигналы с ПИН вводов фаз будут иметь различный знак. Если коронный разряд возник на фазном напряжении (потенциал фаза – земля), то две другие фазы (импульсы на них) будут иметь, чаще всего, положительную полярность. Если же импульс возникнет на линейном напряжении (потенциал между двумя фазами), то здесь тоже два импульса по полярности будут отличаться от третьего, хотя теоретически объяснить все это будет несколько сложнее. Предоставим нашему читателю возможность самому разобраться в этом интересном вопросе.

Для практической реализации этого метода «отстройки от короны» по полярности импульсов, необходимо воспользоваться многоканальной регистрирующей аппаратурой. Это объясняется тем, что сравнение полярности импульсов обязательно должно производиться в режиме реального времени, на аппаратном уровне.

Теоретически, метод можно реализовать на основе многоканального синхронного осциллографа, но с трудом можно представить пользователя, который «в ручном режиме», сравнивает полярность импульсов по каналам, которых может быть несколько тысяч (какой же объем внутренней памяти в осциллографе нужен для этого?). В случае же применения для регистрации импульсов одноканального осциллографа, даже самого совершенного, данный метод отстройки от коронных разрядов не может быть реализован вообще.

Отстройка от коронных разрядов при помощи алгоритмических и программных средств

Программные средства, которые тоже можно использовать для борьбы с помехами, при регистрации частичных разрядов в трансформаторном оборудовании, являются, образно говоря, последним рубежом защиты от влияния коронных разрядов. Они применяются в том случае, когда уже были использованы все возможные технические средства отстройки от влияния коронных разрядов, но требуемого эффекта они не дали. Отдельно взятые алгоритмические средства защиты от помех не могут обеспечить должной помехозащищенности процедуры измерения и диагностики состояния изоляции.

В связи с тем, что эти методы отстройки от высокочастотных помех работают на «алгоритмическом уровне», т. е. с уже зарегистрированными данными, применение этих методов возможно практически всегда. С их помощью можно попытаться максимально очистить от помех любые высокочастотные сигналы. Назначение этих методов - улучшение общей помехоустойчивости системы регистрации и анализа частичных разрядов в высоковольтной изоляции трансформаторов, и другого высоковольтного оборудования.

Все используемые на практике алгоритмические средства разделения импульсов частичных разрядов от импульсов коронного разряда базируются на анализе частотных и временных параметров и свойств импульсов. Мы их достаточно подробно описывали выше, поэтому здесь только просто перечислим их.

Во-первых, это общий анализ формы импульса, при котором производится сравнение каждого регистрируемого высокочастотного сигнала с некоторым «образом», усредненной формой, характерного импульса от коронного разряда. Данный анализ обычно выполняется только подготовленными пользователями, «вручную», или же при помощи специальных аналитических программ, написанных на основании знаний экспертов. «Ручной» анализ формы сигналов является достаточно сложным вопросом, трудно поддающимся алгоритмической формализации. Несмотря на то, что мы описываем помехи такого типа общим термином «коронный разряд», существует огромное разнообразие таких импульсов. Форма их зависит от величины рабочего напряжения, места возникновения разрядов, типа контролируемого оборудования, удаления от измерительного датчика и т. д. Каждый конкретный случай анализа требует специального описания «шаблона формы» возникающих импульсов коронных разрядов, что под силу только специалистам.

Во-вторых, это использование TTI-Map распределения импульсов для разборки их на группы, используя время – частотные параметры каждого импульса. Эта процедура акцентирует внимание на двух параметрах формы высокочастотного импульса. Это:

  • Частота первого пика в сигнале (что эквивалентно длительности первого пика).
  • Полная длительность высокочастотного сигнала частичного разряда (время затухания до уровня 0,05 от максимального значения).

Вполне очевидно, что второй подход к разделению импульсов на различные типы, теоретически, имеет меньшую эффективность, т. к. рассматривает только два параметра формы импульса. На самом деле это не так. В силу универсальности использования TFM плоскости этот метод является универсальным, в меньшей мере зависящим от «базы данных конкретного эксперта». В результате этот метод чаще используется на практике и дает больший практический эффект.

Метод отстройки от коронных разрядов с использованием TFM распределения импульсов является не только универсальным, но и адаптивным. Он позволяет проверять все выявленные на TTI-Map плоскости группы импульсов, уже при помощи PRPD распределения импульсов. Проверка каждой группы импульсов производится на PRPD плоскости, когда рассматривается связь импульсов группы с фазой питающего напряжения, выявляются соответствующие признаки коронного разряда, Это дает возможность любому пользователю, в каждом конкретном случае измерения и диагностики, более точно описывать параметры формы коронного разряда.

Как мы уже писали выше, в анализ формы сигнала частичного разряда может быть включено оценка частотных свойств «внутри» импульса. Для этих целей удобнее всего использовать вейвлет – преобразование.

Проблема с его использованием очень проста, поскольку на практике он используется редко, у многих существует предубеждение, что это сложно. На самом деле ничего сложного там нет, это просто анализ частотных свойств импульса в каждой временной точке. Для этого существуют стандартные процедуры и программы преобразования сигналов. Главное заключается в другом, это вспомогательный метод, и не надо ждать от него большой помощи. Различить между собой два, и более импульсов, которые на TTI-Map плоскости находятся в одной группе, он поможет. Это, пожалуй, все, больше ничего нового и интересного вейвлет анализ не может.

Измерение частичных разрядов в изоляции трансформаторов понижающих подстанций в режиме «on-line»

Конфигурация измерительных каналов для регистрации частичных разрядов

Конфигурация измерительного прибора (переносного, или системы мониторинга), ориентированная на отстройку от максимального количества помех уже «на аппаратном уровне», приведена на рисунке. Конфигурация датчиков и измерительных каналов соответствует режиму регистрации частичных разрядов в обмотке и вводе фазы «А», стороны ВН трансформатора.

В приведенной на рисунке конфигурации схемы измерения частичных разрядов задействованы 4 канала прибора системы мониторинга, имеющих различное методическое назначение.

  • Измерительный канал «SCh-1» предназначен для регистрации импульсов частичных разрядов в изоляции фазы трансформатора, это основной канал в регистрации.
  • Референсные (опорные) измерительные каналы «RCh-2» и «RCh-3» предназначены для сравнения параметров импульсов в основном измерительном канале с импульсами от датчиков, установленных в двух других фазах одноименной обмотки трансформатора.
  • Шумовой канал «NCh-4» позволяет проводить амплитудное сравнение импульсов, регистрируемых со всех других первичных датчиков, подключенных не к ПИН вводов первичной обмотки трансформатора. В рамках данной конфигурации к этому каналу подключаются все датчики, смонтированные на стороне НН. Если бы измерения частичных разрядов проводились на стороне НН, то к этому каналу были бы подключены все датчики, установленные на первичной обмотке. Предлагаемая конфигурация измерительной схемы внешне выглядит чрезмерно загруженной функциями, но на самом деле в ней все продуманно, и логично. Кратко рассмотрим функциональные возможности такой конфигурации. Это мы сделаем для того, чтобы показать, что все, вышеописанные способы отстройки от помех, реализованы в данном измерительном приборе.

Предлагаемая конфигурация измерительного прибора системы мониторинга частичных разрядов в трансформаторе позволяет оперативно, в режиме реального времени, реализовывать следующие функции:

  • Сравнение импульсов с датчиков трех фаз первичной обмотки по времени прихода «dt», выполняется синхронно по трем каналам, сигнальному и двум опорным. Это позволяет определить, какой фазы обмотки импульс достигает раньше всех. Если импульс сначала достигает фаза «А», то этот импульс принадлежит контролируемой фазе и должен быть включен в регистрацию. Если он раньше придет на фазы «В» или «С», то этот импульс принадлежит этим фазам, и к фазе «А» не имеет отношения. Из текущей регистрации, по фазе «А», его необходимо исключить.
  • Сравнение импульсов с трех фаз обмотки трансформатора по амплитуде. Если импульс будет наводиться с одной фазы на другую, то амплитуда наведенного импульса всегда будет меньше, чем амплитуда первичного импульса. Это позволяет исключать из рассмотрения импульсы, возникшие в других фазах. В данном случае это будут импульсы, возникшие в фазах «В» и «С».
  • Сравнение высокочастотных импульсов с вводов трех фаз, или с трех фаз вторичной обмотки, по полярности. Приведенная схема измерения позволяет одновременно контролировать полярность высокочастотных импульсов, проходящих по вводам обмотки ВН. В том случае, если полярность трех импульсов будет различаться, то это будет говорить о том, что данный импульс «пришел в трансформатор извне», и вероятнее всего это импульс коронного разряда. Такой «помеховый» импульс необходимо исключать из текущей регистрации.
  • Сравнение импульса в измеряемой фазе первичной обмотки трансформатора, по амплитуде, с импульсами во вторичной обмотке трансформатора. Это позволяет исключать из рассмотрения импульсы, пришедшие в трансформатор по цепям вторичной обмотки, и не относящиеся к контролируемой фазе обмотки.

Регистрация частичных разрядов в других фазах трансформатора производится аналогично. Для перехода к таким измерениям производится, при помощи встроенного в прибор коммутатора, переключение первичных датчиков к различным измерительным каналам, т. е. изменяется конфигурация измерительной схемы. Например, для измерения частичных разрядов в фазе «В», данный датчик на ПИН подключается к измерительному каналу. Фазы «А» и «С» подключаются к референсным каналам. Идеология работы всех каналов прибора, и измерительного, и двух опорных и шумового канала, к которому подключены датчики вторичной обмотки, при этом полностью сохраняется.

Книга Русова В.А

Это статья взята из книги Русова В.А. "Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования"

Похожие материалы: