 |
ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ.
НОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ
M. Крюгер, A. Кретге, M. Кох,
K. Ретмайер, M. Пюттер,
Л. Хулка,
OMICRON Energy,
г. Клаус
К. Зуммередер, M. Мур,
Технический университет,
г. Грац
Австрия
В настоящее время методы контроля электрической изоляции, основанные на
измерениях поляризационных процессов, получают всё более широкое распространение. Наиболее используемыми сегодня являются методы частотной
диэлектрической спектроскопии и измерения токов поляризации и деполяризации совместно с восстанавливающимся напряжением. Не менее эффективными
оказываются методы, связанные с измерением характеристик частичных разрядов. Совместное использование этих методов открывает дополнительные возможности контроля электрической изоляции энергетического оборудования.
В статье австрийских авторов рассматриваются эти возможности применительно
к контролю изоляции высоковольтных вводов. Диагностика высоковольтных вводов
является весьма актуальной задачей, поскольку существующая система контроля,
основанная на измерении диэлектрических потерь на напряжении промышленной
частоты, не всегда обеспечивает своевременное выявление дефектов, зарождающихся в изоляции вводов. Для России особую актуальность имеют методы диагностики
вводов с RIP-изоляцией, которая последние 5 лет стала широко применяться в отечественных сетях, а способы её контроля пока слабо отработаны.
ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Вот уже многие десятилетия для проверки изоляции высоко-
вольтных вводов с успехом используют измерения емкостного
сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Раньше такие измерения практически всегда проводили на
частоте сети (50/60 Гц).
В табл. 1 показаны предельные значения tg δ, коэффициента
мощности и частичных разрядов для вводов с твердой изоляцией типа RIP (Resin Impregnated Paper – пропитанная смолой
изоляционная бумага), RBP (Resin Bonded Paper – бумажная
изоляция, склеенная эпоксидным компаундом) и OIP (Oil
Impregnated Paper – бумажно-масляная изоляция) для частоты
50/60 Гц, описанные в IEC 60137 и IEEE C57.19.01.
Вначале мосты уравновешивали вручную, например, по
мостиковой схеме Шеринга, впервые упомянутой в 1928 году.
Затем пришло время измерительных мостов, которые автоматически уравновешивались микропроцессорами. Эти методы
хорошо себя зарекомендовали, особенно при измерениях на
одной выделенной частоте.
Современная электроника позволяет проводить измерения
в широком частотном диапазоне в течение очень короткого
времени. Такой способ называют «измерением диэлектрического отклика», или «диэлектрической спектроскопией». Он
дает гораздо более точные сведения, чем при использовании
только промышленной частоты. На рис. 1 показан принцип
проведения такого измерения.
Сегодня для создания испытательного напряжения современные испытательные приборы используют переключаемые
усилители мощности [1].
ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА
НА НОВЫХ ВВОДАХ
На рис. 2 показаны кривые tg δ новых вводов с RIP, RBP и
OIP-изоляцией. Измерения проводились при напряжении 2 кВ
и частотном диапазоне от 15 до 400 Гц. Видно, что кривые
относительно ровные, без резких перепадов, минимумы tg .
наблюдаются при очень низких частотах – менее 15 Гц. При
50 Гц значения не превышают предельные показания табл. 1.
Но подобное относится к совершенно новым вводам.
На рис. 3 изображен ввод с RIP-изоляцией, который находится на открытом воздухе.
В отличие от конца, расположенного
снаружи и закрытого фарфоровой покрышкой, ввод в трансформаторе крайне плохо защищен от проникновения влаги.
Как видно на графиках изменения tg δ, за 6 месяцев ввод впитал
большое количество влаги. Из-за этого происходит значительное повышение tg δ, особенно на низких частотах. Минимум на
кривых сдвигается в сторону более высоких частот.
Приведем типичные примеры диагностических измерений
на вводах с изоляцией типа RIP, RBP и OIP. Для диагностических измерений было использовано описанное испытательное
устройство с частотным диапазоном от 15 до 400 Гц.
Ввод с твердой изоляцией типа RIP
и композитным изолятором
Обычно в большинстве вводов с твердой RIP-изоляцией и композитным изолятором есть опорная трубка, армированная стекловолокном. Ее также называют волоконной трубкой. Она выполняет
две задачи: обеспечивает высокую механическую прочность и за
счет покрытия из чистой смолы препятствует проникновению
влаги в активную часть, пропитанную эпоксидной смолой. В 80-е
годы некоторые производители изготавливали вводы 245 кВ без
волоконных трубок. Силиконовые экраны клеили прямо на активную часть. Со временем в таких вводах через силиконовые экраны
влага попадает в активную часть и они выходят из строя.
Синяя линия на рис. 4 показывает результаты измерения
на вводе без волоконной трубки и с просочившейся влагой,
желтая линия – без влияния влаги. Разница особенно заметна
на низких частотах.
Ввод с твердой RBP-изоляцией
У ввода 123 кВ (рис. 5) с твердой RBP-изоляцией кривая диэлектрического отклика на фазе C имеет хорошо заметный изгиб. Особенно заметен резкий рост tg δ на высоких частотах.
Затем были проведены измерения на вводе при промышленной частоте с напряжением от 2 до 12 кВ (рис. 6).
На графике
видно, что кривая tg δ начинается с довольно больших потерь,
которые уменьшаются, по мере того как растет напряжение.
Это говорит о плохом контакте на измерительном выводе или
в самой первой емкостной обкладке внутренней изоляции.
Ввод заменили, а после разобрали. Измерительный вывод
был в порядке, а самая первая емкостная обкладка была неправильно соединена с токопроводящей трубкой. Плохой контакт
может привести к повышению температуры во внутренней
изоляции и поломке ввода. Поэтому решение о замене ввода
было правильным.
Ввод с OIP-изоляцией
Вводы 33 кВ с бумажно-масляной изоляцией были заменены
из-за большого tg δ при высоких температурах, что является
признаком повышенного влагосодержания во внутренней
изоляции. На рис. 7 показан tg δ у вводов с бумажно-масляной
изоляцией на частоте 50 Гц при различном влагосодержании
и температурах [2]. При высоких температурах tg δ резко возрастает при наличии влаги в изоляции.
СПЕКТРОСКОПИЯ ВВОДОВ
Измерение диэлектрических потерь можно проводить
в частотной области (FDS – спектроскопия в частотной области), либо во временной области (PDC – измерение токов
поляризации-деполяризации). Результаты могут быть преобразованы из временной области в частотную, и наоборот.
FDS позволяет производить измерения на всех частотах,
но для крайне низких частот время измерения значительно
возрастает. PDC обеспечивает высокую скорость измерения,
однако не применяется на частотах выше 1 Гц.
Новый способ использует преимущества обоих методов и
измеряет частоты от 5 кГц и ниже до 0,1 Гц с помощью метода
FDS, а частоты ниже 0,1 Гц — метода PDC. Результаты измерений PDC преобразуются в частотную область и отображаются
как значения коэффициента потерь [3]. На рис. 8 показан
принцип комбинированных измерений.
 На результаты измерений оказывает влияние температура.
При повышении температуры потери при низких частотах
становятся выше, в то время как при высоких частотах они
сокращаются; минимальное значение коэффициента потерь
смещается в более высокие частоты (рис. 8). Это необходимо
учитывать при сравнении результатов методов FDS и PDC различных измерений при различных температурах.
Были проведены эксперименты с вводом RIP. Его подвергали
воздействию различных температур в условиях различной относительной влажности в климатической камере. Эксперимент
начался при температуре 20°C и относительной влажности 38%.
На второй день ввод был нагрет до 70°C при относительной влажности, равной 10% (зеленая кривая на рис. 9).
На третий день ввод
выдерживали в условиях высокой относительной влажности, равной 80%, при температуре 70°C. На следующий день измерялись
значения на фиолетовой кривой при неизменных климатических
условиях (80% относительной влажности при 70°C). На десятый
день относительная влажность была снижена до 10%. На двенадцатый день измерялись значения на желтой кривой при неизменных
условиях окружающей среды (10% относительной влажности
при 70°C). Влага всё еще сохранялась на поверхности смолы.
На тринадцатый день было выполнено последнее измерение при
нормальных условиях (38% относительной влажности при 25°C).
Значения tg δ при частотах более 10 Гц совпадают с результатами,
полученными в начале опыта, однако при низких частотах влияние влажности стало еще более заметным.
СУШКА ВВОДОВ
Как правило, вводы поставляются в деревянных ящиках
с пакетом силикагеля, который поддерживает их в сухом состоянии на протяжении нескольких дней или недель. Однако
часто вводы хранятся в этих ящиках много лет и даже десятилетий без принятия дополнительных мер в условиях высокой
влажности окружающей среды, например, в подземных помещениях электростанций или на открытом воздухе.
Как уже упоминалось, открытая сторона ввода хорошо защищена, а конец со стороны трансформатора может быть поврежден
в результате воздействия влаги. В прозрачной крепированной
бумаге можно было увидеть включения воздуха. Вводы с повреждениями смолы такого рода нельзя больше использовать [4].
Ввод RBP на напряжение 145 кВ с масляной изоляцией
Ввод RBP на напряжение 145 кВ хранился в оригинальной
упаковке в течение 30 лет в подземных помещениях электростанции. Коэффициент потерь при частоте 50 Гц составил
30%! На рис. 10 показан результат измерений после пробной
сушки, проведенной в течение 12 недель в сушильной печи при
температуре около 60 °С. Коэффициент потерь по-прежнему
составлял более 20% при частоте 50 Гц. Вводы с такими высокими потерями нельзя больше подвергать сушке, а потому их
нельзя продолжать использовать.
Ввод RBP на напряжение 45 кВ
Эти вводы также хранились в оригинальной упаковке в течение многих лет. На рис. 11 показаны результаты измерений
FDS-PDC трех вводов во влажном состоянии и конструктивно
идентичного ввода (красная кривая), который находился в
сушильной печи в течение недели при температуре 70°C.
Видно, что сушка позволяет достигать значительного улучшения результатов. Коэффициент потерь при частоте 50 Гц
удалось снизить более чем на 2%.
Ввод RBP на напряжение 145 кВ
Ввод RBP на напряжение 145 кВ сушили в сушильной печи
в течение более 12 недель при температуре 60°C. На рис. 12 показаны результаты измерений до и после сушки. Коэффициент
потерь при 50 Гц благодаря сушке уменьшился с 2,2 до 1,1%.
Для ввода на напряжение 145 кВ это значение является все же
относительно высоким. Было проведено измерение частичного
разряда, для того чтобы установить, образовались ли во вводе
трещины и полости в результате сушки.
На рис. 13 приводятся результаты испытаний частичного
разряда (ЧР) на фазах без фильтрации через так называемую
совмещенную диаграмму по трем центральным частотам
(3CFRD). Здесь показана сумма всех сигналов частичных разрядов. Явно различимый, четкий рисунок отсутствует.
 Для разделения сигналов частичного разряда различных
источников частичного разряда была проведена фильтрация
посредством 3CFRD. С ее помощью одновременно измерялись частичные разряды при трех различных частотах, в
данном случае при частоте 500 кГц, 2,8 МГц и 8 МГц. Если
источники частичных разрядов имеют различные частотные
спектры, то благодаря данному методу их можно отделить
друг от друга и таким образом выявить рисунок отдельных
источников без наложения сигналов других источников.
Кроме того, этот метод позволяет отделить ложные сигналы
от событий частичного разряда, что является несомненным
преимуществом при измерениях за пределами экранированных измерительных кабин. На рис. 14 показаны лучевая
диаграмма 3CFRD и векторное сложение измеренных при
трех частотах амплитуд частичных разрядов одного пробоя
с частичным разрядом.
На рис. 15 показана лучевая диаграмма для трех частот с
кластерами различных частичных разрядов. Программное
обеспечение позволяет выделять отдельные кластеры в экранных окнах. При активированном окне фазовое отображение
частичных разрядов отображает лишь те импульсы частичных
разрядов, которые соответствуют параметрам, выбранным для
данного окна.
По результатам измерений, из-за высоких значений tg δ и
высокой интенсивности частичных разрядов, превышающей
1 нКл, ввод был выведен из эксплуатации.
ВЫВОДЫ
Современные технологии позволяют проводить весьма эффективную диагностику высоковольтных вводов. Измерение
диэлектрического отклика оказалось довольно перспективным. Этот метод предоставляет намного больше данных, чем
использовавшиеся ранее методы измерений коэффициента
потерь при частоте 50 Гц.
С помощью метода фильтрации 3CFRD появилась возможность проводить чувствительные измерения частичных разрядов
на месте без экранированных измерительных кабин. Он также
позволяет выделить различные источники частичных разрядов и
проанализировать рисунок частичных разрядов отдельных пробоев изоляции без наложения друг на друга сигналов частичных
разрядов от других источников частичных разрядов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hensler Th., Kaufmann R., Klapper U., Krьger M., Schreiner S.
Portable testing device: US Patent 6608493, 2003.
2. Dissipation factor over the main insulation on high voltage
bushings: product information. ABB, 2002.
3. Borsi H., Gockenbach E., Krьger M. Method and apparatus for
measuring a dielectric response of an electrical insulating system:
US2006279292.
4. Frei K., Koch N. Zustandsbeurteilung von Durchfьhrungen im
Praxiseinsatz / OMICRON transformer conference. Bregenz, 2007.
| 
|
