 |
ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Акустическая регистрация разрядных процессов
Задачи снижения повреждаемости высоковольтного энергетического оборудования являются очень актуальными, так как, к примеру, срок службы подавляющей части мощных
силовых трансформаторов сейчас превышает 25 лет. Существенными процедурами обслуживания – обследованиями с отключением от сети, капремонтами охвачена лишь небольшая часть оборудования, так как эти мероприятия являются довольно затратными.
Поэтому всё большее внимание уделяется диагностике состояния электрооборудования в эксплуатации, позволяющей оценить степень износа и предсказать остаточный ресурс изоляции, выявить наименее надежные звенья и сконцентрировать имеющиеся ресурсы на их восстановлении
или замене. Об одном из таких методов – в материале Сергея Константиновича Цветаева.
Цветаев С.К., к.ф-м.н., главный специалист, НПО «Техносервис-Электро», г. Москва
Серьезные отказы подстанционного оборудования 110–500 кВ
могут произойти мгновенно или развиваться постепенно в связи с
процессами старения или развития дефектов.
Например, при ближнем коротком замыкании происходит динамическое смещение обмоток силового трансформатора, межвитковое замыкание и повреждение трансформатора. Это мгновенный
отказ, который диагностическими методами не предсказывается.
По статистике таких случаев около 30%.
Остальные отказы оборудования возникают в результате сравнительно медленных процессов, и эти аварии могут быть спрогнозированы (или диагностически выявлены) и предотвращены.
Для силовых трансформаторов существуют более 40 методов
контроля, часть из них являются обязательными. Каждый из методов
в основном выявляет только определенные дефекты, но, как правило,
различные способы диагностики взаимно дополняют друг друга.
Наиболее общими методами являются тепловидение и хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ). С помощью тепловидения выявляются локальные нагревы поверхности (дефекты,
выделяющие тепловую мощность более 1 Вт), поэтому этот способ
незаменим для контроля контактных соединений и короткозамкнутых
магнитных контуров. ХАРГ является чувствительным интегральным
методом для определения локальных перегревов и разрядных
процессов.
В последнее время всё более широкое распространение получает акустический способ обследования электрооборудования.
Он основан на регистрации звуковых импульсов, возникающих при
электрических разрядах, с помощью датчиков, устанавливаемых,
к примеру, на стенку бака трансформатора. Современные ультразвуковые датчики позволяют регистрировать разрядные процессы
с энергией до 10–7 Дж.
Этот способ диагностики отличается оперативностью и позволяет
локализовать место дефекта, сопровождающегося разрядами.
Кроме того, на основании акустического метода разработаны
весьма экономичные системы мониторинга энергооборудования,
популярные в мире. В настоящее время готовится новый международный стандарт (IEC 62 478) по измерению частичных разрядов
акустическим методом.
МЕТОДИКИ
Методики акустического обследования достаточно подробно
изложены в [1, 2]. В электрооборудовании могут быть простые и
сложные условия распространения ультразвука. В высоковольтных
вводах, измерительных трансформаторах, токопроводах обычно
имеются простые условия распространения ультразвука, при которых звук от разряда распространяется в почти однородной
среде на расстояния порядка сотни длин волн и поэтому затухает
незначительно.
В силовых трансформаторах, в элегазовых аппаратах источник
электрического разряда может находиться в глубине оборудования.
В этом случае ультразвук проходит ряд преград и значительно затухает. Если у небольших маслонаполненных объектов величина
акустического сигнала практически одинакова в любой точке поверхности, то при обследовании, например, силового трансформатора
это отличие более значительно, и необходимо, перемещая датчик,
искать область поверхности с максимальным сигналом.
С помощью акустической диагностики предотвращены десятки
аварий энергетического оборудования в нашей стране и за рубежом.
Накоплен целый ряд звуков, являющихся предвестниками пробоя.
Для обучения, а также для тестового сравнения звуков от различных
источников имеются аудиозаписи реальных сигналов электрических
разрядов, обнаруженных:
- в увлажненной основной изоляции силового трансформатора;
- во втычном контакте ввода 220 кВ силового трансформатора;
- в изоляции ввода 220 кВ;
- в КРУЭ 220 кВ при попадании металлической стружки на изолятор;
- в элегазовом выключателе 110 кВ с трещиной изолятора;
- в концевой муфте кабельной линии 110 кВ с полиэтиленовой изоляцией;
- в переходной стопорной муфте 110 кВ с увлажненным маслом;
- в трансформаторах тока и напряжения 110–500 кВ с частичными разрядами в бумажно-масляной изоляции и др.
Акустические сигналы в оборудовании, вызванные электрическими разрядами, можно обнаружить даже на фоне помех: вибростука,
шума маслонасосов и вентиляторов и т. п.
ПРИБОРЫ
При контактном способе регистрации электрических разрядов,
каким является акустическое обследование, используются ультразвуковые датчики акустической эмиссии.
Более 30 лет назад в СССР было выпущено около сотни датчиков
типа АПЧР, которые применялись в ОТК Запорожского трансформаторного завода, московского «Электрозавода», а также в эксплуатации. В России за последние 15 лет около 2000 отечественных
датчиков типа РЧРш стационарно установлены на подстанциях
«Мосэнерго» для контроля элегазового оборудования, кабельных
муфт и силовых трансформаторов. Эти же датчики применяются при
периодическом обследовании оборудования. Наиболее близкие по характеристикам датчики GT 250, ДР15И, ПЭКМ20-150 выпускаются
в настоящее время различными отечественными фирмами.
Известные в мире аналогичные датчики R6I, R15I, VS150-RI изготавливаются компаниями Physical Acoustics Corporation, Vallen systeme
и Ultraprobe. Ими же выпускаются акустические приборы,
которые могут применяться для контроля энергетического оборудования.
Для регистрации и анализа сигналов в энергетике России обычно
используются три взаимодополняющих типа приборов.
Первый – универсальные цифровые осциллографы, например,
Tektronix (США) или «Актаком» (Россия), позволяющие регистрировать осциллограмму сигнала и его спектр.
Второй – ультразвуковой зонд типа Ultraprobe (США), в котором
используется гетеродинирование сигнала и прослушивание преобразованного спектра сигнала через наушники.
Третий тип – ультразвуковой модератор, как, например, «Дельфин», разработанный НПО «Техносервис-Электро», который позволяет записать, замедлить и услышать ультразвуковой сигнал.
Сама по себе осциллограмма не выявляет многих особенностей
сигнала, позволяющих распознать образ источника звука. Например, можно привести две похожие осциллограммы (рис. 1), одна из
которых соответствует звуку незакрепленной дребезжащей гайки, а
другая – звуку от разряда. Отличие заключается в спектрах сигналов.
Поэтому ведущий производитель осциллографов фирма Tektronix
дополняет осциллограмму, например, цветовыми представлениями
текущих спектров и т. п.
Наряду с цифровыми осциллографами оказалось весьма эффективным использование замедления (модерации) звука и его
прослушивание для распознавания слухового образа источника
разрядов. Это линейное преобразование сигнала значительно более
информативно, чем гетеродирование.
Модератор позволяет записать, замедлить и услышать ультразвуковой сигнал. При работе с прибором используется способность человека распознавать звуковые образы дефектов. Диапазон рабочих
частот датчика 60–130 кГц при замедлении в 100 раз переводится в
одну октаву слышимого диапазона 600 Гц – 1,3 кГц. Время записи –
два периода сетевой частоты – 40 мс, время воспроизведения – 4 с.
Кроме того, появляется возможность применения распространенных
компьютерных программ обработки и редактирования цифрового
звука, таких как Sound forge, Gold wave. Известно, что начинающие
диагносты по осциллограмме не могут отличить акустический сигнал
от электрических наводок. Прослушивание звука осциллограммы
легко позволяет это сделать, и оно должно быть необходимым
элементом акустической диагностики.
Если сигналы соответствуют разрядам, степень их опасности
оценивается по амплитуде сигналов и по месту возникновения,
определяемого, допустим, методом триангуляции. Например, к
сигналам аварийного уровня в изоляции маслонаполненного оборудования с простыми условиями распространения ультразвука и без
принудительной циркуляции масла относятся сигналы с амплитудой
звукового давления около 1 Па.
  ПРИНЦИП РАБОТЫ АКУСТИЧЕСКОГО МОДЕРАТОРА
Для понимания работы со звуками, полученными замедлением
ультразвука, напомним известные истины. Человек имеет два уха,
расположенные на расстоянии 15 см, что соответствует половине
длины волны звука в воздухе на частоте максимальной чувствительности f = 1 кГц. Длина волны lч = С / f = 33 см, где С – скорость звука
(для воздуха С = 330 м/с).
Скорость звука в трансформаторном масле См = 1390 м/с, и
рабочая частота датчика в районе 100 кГц, поэтому l ~ 1,5 см, что
примерно в 10–20 раз меньше lч. Человек умеет распознавать звук в
привычном звуковом диапазоне, ориентируясь на lч = 33 см. Обычно
звук разряда в изоляции трансформатора приходит с дистанции
порядка 1 м, то есть длина распространения измеряется почти
сотней длин волн. Для привычной звуковой картины на частоте 1 кГц
в воздухе 100 длин волн это 30 м. Из-за отражений звук создает
реверберационную картину. Кроме того, проходя стенку бака, продольная звуковая волна превращается в поперечные, сдвиговые и
поверхностные волны, которые в свою очередь сложным образом
преобразуются ультразвуковым датчиком в электрический сигнал.
Учесть все передаточные функции среды, датчика и восстановить
истинный звук разряда пока не представляется возможным. Однако
и искаженные акустические сигналы можно уверенно интерпретировать.
Замедленные и слышимые звуки разрядов – это щелчки, как
правило, с периодом 1 с. Осциллограмма такого звука содержит
5–15 периодов затухающих колебаний. Этот звук короткий (~ 5 мс),
не музыкальный и не речевой. Для цифрового анализа этого звука
следует применять вейвлет-преобразование (рис. 2). Классификация осциллограммы звука или ее вейвлет-преобразование производится математическими методами распознавания образов [3].
Причем важны не столько частота и тембр звука, сколько признаки,
именуемые признаками максимального правдоподобия.
В настоящее время и человеком, и программой проводится
следующая классификация:
- одиночный частичный разряд в масле и элегазе;
- одиночный искровой разряд в масле;
- многочисленные разряды в масле;
- виброударный механический процесс.
В будущем эту классификацию можно расширить.
ПРИМЕРЫ АКУСТИЧЕСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЙ
Приведем пример акустической диагностики измерительных
трансформаторов в Сербии, которая позволила выявить десятки
трансформаторов тока, в основном типа ТРЕ11, в бумажно-масляной
изоляции которых обнаружены частичные разряды недопустимого
уровня [1].
Эти трансформаторы тока имеют основную изоляцию с потенциаловыравнивающими электродами на первичной обмотке, которая
проходит до заземленного бака. Бак расположен в нижней части
трансформатора и доступен для прикосновения. Разряды в изоляции
обмотки сопровождаются ультразвуковым излучением, достигающим всех точек поверхности бака. Поэтому ультразвуковыми датчиками, устанавливаемыми снаружи на бак, легко обнаруживаются
разрядные процессы в обмотке.
Отметим, что проведенный затем на этих трансформаторах
ХАРГ полностью подтвердил наличие выявленных акустическим
обследованием дефектов.
Одними из наиболее аварийных в России в настоящее время
являются измерительные трансформаторы тока типа ТФРМ 330–
750 кВ. ОАО «Ленэнерго» и НИИПТ несколько лет назад провели
исследования и установили, что одной из причин аварий является
старение изоляции с наличием частичных разрядов [4]. Однако авторы не обнаруживали эти разряды акустическим методом и делали
заключение об их наличии по результатам газовой хроматографии
или по электрическим измерениям при испытаниях.
Локация частичных разрядов акустическими датчиками затрудняется тем, что бак ТФРМ 330–750 находится под высоким потенциалом и недоступен для прикосновения.
Для таких случаев специалистами разработан акустический регистратор разрядных процессов с радиоканалом. Он используется,
к примеру, на Запорожском заводе высоковольтной аппаратуры при
заводских испытаниях измерительных трансформаторов тока и позволяет регистрировать разряды не только аварийного уровня, но и
уровня, допустимого при испытаниях новой продукции (несколько
пикокулон). На рис. 3 приведена осциллограмма акустического
сигнала за два периода сети в изоляции верхнего каскада ТФРМ-
750 при кажущихся частичных разрядах в изоляции 60 пКл. Следует
заметить, что при стендовых испытаниях аварийного ТФРМ 750 кВ
за 40 часов до пробоя наблюдались разряды 30 пКл, а за 25 часов
до пробоя наблюдались разряды более 96 пКл [4].
В эксплуатации акустический регистратор с радиоканалом применяется на подстанциях Федеральной сетевой компании ЕЭС России.
Акустический регистратор разрядных процессов с радиоканалом
может также применяться и на заземленных частях оборудования. Например, на подстанциях «Мосэнерго» такие регистраторы используются для контроля на наличие разрядов в концевых муфтах и элегазовых
вводах кабельных линий 110 кВ с полиэтиленовой изоляцией.
Безусловно, акустическая диагностика в энергетике России будет развиваться, и по мере накопления звуков от различных дефектов оборудования будут совершенствоваться
способы интерпретации звуков и распознавания звуковых
образов дефектов. Эти методы заложены в современных
акустических приборах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долин А.П. Цветаев С.К., Поночко Ч., Попович А. Акустическая
локация электрических разрядов в измерительных трансформаторах // Электро. – 2005. – № 2.
2. Цветаев С.К., Першина Н.Ф., Смекалов С.В., Долин А.П., Смекалов
В.В. Опыт диагностики и ремонтов силовых трансформаторов для
повышения надежности эксплуатации и продления срока службы
// Электро. – 2006. – № 5.
3. Пытьев Ю.П. Морфологический анализ изображений. // Докл. АН
СССР. – 1983. – Т. 269. – С.1061–1064.
4. Беляевский О.А., Гречко О.Н., Ушакова М.В., Курбатова А.Ф.
Оценка состояния изоляции маслонаполненных измерительных
трансформаторов 110–750 кВ в эксплуатации // 3-й науч.-технич.
семинар «Современные методы и средства оценки технического
состояния и продления сроков эксплуатации высоковольтного
трансформаторного оборудования». – М.,2003.
| 
|
