автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и измерительная система оценки состояния высоковольтных изоляторов на основе анализа частичных разрядов

На правах рукописи

ФЕДОРОВ ГЕННАДИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОД И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и"изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Голеншцев-Кутузов Александр Вадимович

Зашита состоится " 20 "октября 2006 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.082.01 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу:

420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета и на сайте ЬНрУ/тГо^еи.гч/

Автореферат разослан " 46 " О9'... 2006 г.

Ученый секретарь

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Наумов Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук-Немтарев Владимир Иванович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева»

диссертационного совета

Батанова Н.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежность современных систем производства и распределения электроэнергии во многом зависит от состояния высоковольтного электрооборудования. Как показала практика, существует потребность в универсальном и более простом методе и системе оценки состояния опорных, проходных и подвесных высоковольтных изоляторов. При длительной эксплуатации в них возникают первичные дефекты, приводящие впоследствии к электрическому пробою и (или) разрушению изолятора. Полный пробой изоляционного промежутка, находящегося под рабочим напряжением, возникает не сразу. Ему, как правило, предшествуют микропробои или электрические разряды, которые шунтируют лишь часть изоляции между электродами. Они получили название частичных разрядов (ЧР). Сами по себе ЧР не всегда вызывают разрушение изоляции, однако, во всех случаях ЧР свидетельствуют о существовании или возникновении первичных дефектов в изоляции.

Временной интервал от начала возникновения ЧР до полного пробоя изоляции или разрушения изолятора варьируется от нескольких дней до нескольких лет. Поэтому предполагалось, что метод измерения характеристик ЧР, определяемый ГОСТом 20074-83, и последующими ГОСТами для контроля отдельных элементов высоковольтной изоляции, даст возможность обнаруживать дефекты на ранней стадии их возникновения, отслеживать их развитие, оценивать текущее состояние изоляции и возможность дальнейшей эксплуатации оборудования. В соответствии с ГОСТом 20074-83 основной характеристикой ЧР является их интенсивность, которая количественно характеризуегся: кажущимся зарядом единичного ЧР, частотой следования частичных разрядов, средним током ЧР. За прошедшие годы в результате многочисленных исследований была показана неполнота информации но ЧР, установленная ГОСТом, поскольку в нем предполагалось изучение параметров каждого импульса. Однако ЧР имеют случайный (стохастический) характер и все их параметры имеют большой разброс по времени. Вследствие этих особенностей ЧР, как показали лабораторные исследования и применение метода ЧР в практических целях, для получения необходимой точности и достоверности измерения желательно накопление информации за определенный интервал периодов питающего переменного напряжения, а статистические характеристики ЧР дополнять амплитудно-фазовыми и частотно-фазовыми распределениями. Кроме того, ГОСТ устанавливает метод измерения характеристик ЧР только на испытательном стенде и не касается методов измереиия характеристик изоляции электрооборудования, находящегося в эксплуатации, т.е. под рабочим напряжением. Измерение сигналов ЧР в условиях эксплуатации является более сложным и трудоемким по сравнению со стендовыми измерениями.

Ввиду многообразия видов дефектов и сложности сопоставления с ними параметров ЧР, полное решение проблемы идентификации дефектов и их влияние на рабочее состояние изолирующих элементов пока возможно только для конкретных изделий высоковольтного оборудования. В каждом случае необходимо учитывать конструкцию и параметры конкретного оборудования, характеристики диэлектрического материала в сочетании с наиболее полными характеристиками самих частичных разрядов.

До настоящего времени метод ЧР нашел реальное практическое применение только для контроля дефектности изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов, электрических машин и изоляции высоковольтных кабелей, для ' которых, как правило, характерен только один вид электрического пробоя. Однако, вследствие многообразия дефектов и сопутствующих им электрических пробоев метод ЧР пока не нашел широкого практического применения для диагностики -опорных и проходных высоковольтных изоляторов в рабочих условиях. Следовательно, становится актуальной задача разработки достаточно простой ив тоже время достаточно точной методики и комплекса устройств для оценки работоспособности высоковольтных изоляторов из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов с использованием нескольких типов датчиков ЧР: акустического, индукционного, электромагнитного в зависимости от частотного интервала наиболее сильных помех и характеристик самих ЧР.

Цель работы - разработка способа и измерительной системы для контроля состояния высоковольтных изоляторов путем ; мониторинга параметров частичных разрядов.

Основные задачи. Для достижения поставленной дели потребовалось:

1. Провести теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах на их основе.

2. Разработать комплексный метод совместного детектирования сигналов ЧР с помощью акустического, индукционного и электромагнитного датчиков с последующим компьютерным анализом параметров сигналов ЧР.

3. Создать экспериментальную установку на основе метода совместного детектирования ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками, позволяющий определять такие параметры ЧР как заряд, длительность, начало возникновения импульсов в зависимости от амплитудного значения и фазы переменного напряжения; использовать ПК для накопления данных и их обработки.

4. Провести измерение параметров ЧР в реальных образцах высоковольтных изоляторов из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов, а также модельных образцах и изоляторах с различной степенью дефектности.

5. Определить оптимальный набор параметров ЧР, необходимых для определения места дефектов, их идентификации и влияния на работоспособность высоковольтных фарфоровых и полимерных изоляторов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена комплексным характером экспериментов, повторяемостью измерений и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. На основе теоретического рассмотрения процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах обоснована необходимость применения комплексного метода детектирования ЧР в высоковольтных изоляторах с помощью одновременного использования акустических, индукционных и электромагнитных датчиков, с последующим накоплением и компьютерным анализом набора параметров ЧР.

2. Разработана и создана система для определения параметров частичных разрядов путем одновременного детектирования сигналов ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками с последующим компьютерным анализом в различных модельных образцах диэлектрических материалов и реальных опорных, подвесных и проходных высоковольтных изоляторах.

3. На основе экспериментального изучения дефектов в высоковольтных изоляторах типов ОСИ и ЛК показано, что по амплитудно-фазовым и частотно-" фазовым характеристикам ЧР возможна оценка их работоспособности, как в данный момент времени, так и в дальнейшей эксплуатации с учетом вида и места дефекта.

4. Установлены основные закономерности возникновения частичных разрядов в изделиях из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов и их связи с видами дефектов.

Практическая значимость работы. Разработанный метод и измерительная система могут быть использованы для оценки состояния изолирующих элементов в высоковольтном оборудовании энергетических систем, и в первую очередь для опорных, проходных и подвесных высоковольтных изоляторов.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Для оценки дефектности высоковольтных диэлектрических элементов предлагается использовать следующие усредненные но временному интервалу параметры частичных разрядов: интенсивность (кажущийся разряд); частота следования, в зависимости от фазы приложенного переменного напряжения; начало возникновения частичных разрядов в зависимости от амплитуды переменного напряжения, определенные с помощью нескольких способов детектирования ЧР.

2. Наиболее важные характеристики сигналов частичных разрядов, требуемые для определения параметров дефекта, перспективно представлять в виде двухмерных или трехмерных амплитудно-частотных фазовых диаграмм.

3. Для высоковольтных фарфоровых изоляторов наиболее распространенным является пробой по поверхности, а для высокополимерных изоляторов также пробой на дефектах внутри изоляторов.

Личный вклад автора состоит в активном участии в разработке комплексного метода изучения ЧР в высоковольтных изоляторах, создании экспериментальной системы для определения параметров ЧР. Автором были выполнены все эксперименты по детектированию ЧР в керамических и полимерных изоляторах, и проведена обработка данных измерений. Автор принимал непосредственное участие при анализе и обсуждении параметров ЧР, и их интерпретации в разработке моделей электрического пробоя и влиянии на него дефектов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» (г. Казань, 16-17 апреля 2004 г.); X Международной конференций «Физика диэлектриков (Диэлектрики 2004)» (С-Петербург, 23-27 мая 2004 г); I молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 27-28 апреля 2006 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 научных публикациях, включая: 2 журнальных статьи, 1 статью в материалах международных конференций, 1 статья в материалах Всероссийской конференции, 1 статья в материалах Всероссийского конгресса, и 4 тезиса в материалах докладов научных и научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, приложений. Основная часть изложена на 111 страницах, включая текст, рисунки и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается выбор темы, ее актуальность и значимость, сформирована цель и задачи исследования. Далее приводятся основные научные и практические результаты, положения, выносимые на защиту. Дана структура и краткое содержание глав диссертации, сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе раскрывается смысл и физические явления, приводящие к возникновению ЧР в диэлектрических материалах. Обосновываются методы использования частичных разрядов для обнаружения дефектов, а также для исследования процессов и механизмов электрического пробоя.

Показана необходимость дополнения параметров ЧР, установленных ГОСТом 20074-83, в котором указаны только статические характеристики отдельных ЧР, усредненные по большому периоду измерений динамическими характеристиками, привязанными к фазе переменного напряжения.

Рассмотрены особенности электрических свойств керамических и полимерных материалов, их поведение в сильных электрических полях. Рассмотрены основные виды дефектов в фарфоровых и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах, изготовленных из этих материалов. Проанализированы процессы и механизмы электрического пробоя, и их связь с видами дефектов. Изучено влияние внешних условий (влажность, механические напряжения, перепады температуры) на электрическую стойкость, процессы электрического пробоя в керамических и полимерных материалах. Представлены эквивалентные электрические схемы, позволяющие описывать процессы ЧР в рамках рсзистивно-емкостных цепей.

Особое внимание обращено на современное состояние и применения метода частичных разрядов для контроля и диагностики высоковольтных изоляторов, используемых в энергетическом оборудовании. На этой основе сформулированы основные задачи по разработке наиболее эффективных способов детектирования ЧР и представления их основных характеристик в виде амплитудно-фазовых и амплитудно-частотных диаграмм.

Вторая глава посвящена разработке и анализу устройств для регистрации частичных разрядов и их компьютерной обработке с целью сопоставления параметров ЧР дефектам в высоковольтных опорных проходных и подвесных изоляторах. Па основе проведенного анализа устройств дня детектирования ЧР ряда фирм, разработаны принципы построения наиболее эффективного способа регистрации ЧР. Также был определен необходимый Há6op параметров ЧР, требующийся для обнаружения дефектов и определение их влияния на рабочее состояние высоковольтных изоляторов. Показана необходимость совместного применения нескольких видов датчиков ЧР - акустического, индукционного и электромагнитного для выделения сигналов ЧР от помех, и определения местоположения дефекта.

Приведено структурное и функциональное описание разработанной измерительной системы, включающей: акустические (АД), индукционный (ИД) (или электромагнитный) датчики; регулируемый источник переменного напряжения УКД-70, состоящий из автоматического выключателя (АВ), автотрансформатора (АТ), измерительного вольтметра (ИВ), повышающего высоковольтного трансформатора (ВТ); узко и широкополосных усилителей, цифрового осциллографа (О) Tektronix 1002, регистратора частичных разрядов (РЧР) персонального компьютера (ПК), осуществляющего управление процессом измерения, отображения и архивирования параметров ЧР (рис.1).

Рассмотрено одновременное использование акустического и индукционного (или электромагнитного) датчиков, подключенных к двум входам цифрового осциллографа, для отделения сигналов ЧР от различных помех, а также одновременное использование двух акустических датчиков для определения места предполагаемого дефекта.

-220)-

АВ

_ АТ

ИВ

ВТ

и

НЕ

АД

УКД-70

О

ИД РЧР -А ПК

г -V

Рис. 1. Блок-схема измерительной системы для исследования пробоя модельных образцов и реальных изоляторов.

Использовались устройства следующих типов: антенна для измерения поля и радио помех активного типа РМА 6:2; селективный микровольтметр вТУ 301-2, имеющий рабочий диапазон частот 0,15-35МГц, перекрываемый 8 поддиапазонами. Диапазон измерения импульсных напряжений от 0,65мкВ до ЮмВ. ' -

Рассмотрены особенности проведения измерений ЧР на измерительной системе и возможность использования данной методики для проведения измерений, как модельных образцов, так и изоляторов различных типов непосредственно в производственных условиях.

Представлена методика выполнения расчетов основных параметров ЧР и их регистрации, в которой применяется принцип- фазового анализа. В этом способе возможно определение средней интенсивности и количества импульсов ЧР за. определенный фазовый интервал внутри соответствующей фазы

течение каждого фазового интервала определяются их средняя интенсивность по

приложенного напряжения. В подсчитывается число ЧР и дискретным уровням.

Для обработки сигналов

ЧР, поступающих от устройства РЧР, и представления их в нужном формате или отображения на экране в виде графических зависимостей была доработана компьютерная программа РОЭ^ге, выполняющая определенный набор функций. Вид подобной точечной диаграммы выполненной по программе РБ81оге представлен на рис.2.

В более удобной, но и более сложной для вычислений форме, используются усредненные амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы. Для их построения вся зона фазовой диафаммы разбита на ячейки с равным фазовым

шагом по оси ординат и с равным периодом дискриминации по интенсивности или количеству импульсов по оси абсцисс. В этом случае при регистрации каждого сигнала ЧР и запоминание его интенсивности и фазы достаточно поместить его в соответствующую ячейку.

вдвашанвяншвшшняшямшннмвамрЕШ

| РМ 1шад» ¿.слхена | -зо о«) ? ми тт; -пм-Юк^-и/ч^т• *аг ¿¡-э*»» Р^г^щ^Г^Ьой^" й

2 «я П«ин«Ш"от1

а25 ё

5 ,•, Л .

;

; Л* ' ■

; • ■' X 5" •"•■..

;

■ К - • •« . 4

Г 1 1 1 1 1 1 Т ГТТ И М 1 Г ( I П 1 1 М'1 1 1 II П1 1 1 1 П II 1 МТ 1 1 И * ь I И 1Н II 1 1 1 Т 1 И 1 М

ь. 5

* 1

>«.„ Л - '

✓со [] <-рчт ;

»ЕЗ г т^^ГХ

"...' -.ФМММДОЯМ. ^ •'-.!

щ

Г* т I

Рис. 2. Главное окно программы РОвкие

В третьей главе представлены примеры использования разработанных методик для анализа параметров ЧР на реальных изоляторах, полученных в измерительной системе. Основное внимание было обращено на изоляторы из электротехнического фарфора, как наиболее распространенные в высоковольтном энергетическом оборудовании. Были исследованы наиболее уязвимые с точки зрения возникновения дефектов узлы опорных и стержневых изоляторов. Исследовались изоляторы типа УСТ-110, как практически мало дефектные, так и содержащие различные виды дефектов. Путем детектирования ЧР разрядов с помощью совокупности акустических, индукционных и электромагнитных датчиков, были составлены амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы (рис.3).

а)

6>

Рис. 3 Первичная амплитудно-фазовая характеристика изоляторов при 30 кВ а) №1 - изолятор без дефектов; б) №3 - изолятор с дефектами

Путем компьютерного анализа первичных характеристик была построена амплитудно-фазовая характеристика рис.4, затем были определены средние значения тех же параметров за фазовые периоды, которые послужили основой для определения не только места дефекта, но и состояния работоспособности каждого из изоляторов (табл.1).

и

А

1 } : I . •'Л' \

( / \ : ! < ; \

: / ч .' / .' — V

/ V/ \ ' / У / у \ \ \ • ч

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18- 20 Фазовый интервал

Рис 4: Амплитудно-фазовая характеристика ЧР для изоляторов №1 и №3. . ■ - ■ ___Таблица!

№ изолятора . ' 2 "V 3

Напряжение начала ЧР (кВ) 45-50 ' 40-43 . . 35-40 ..

Интенсивность 4.0 4.0 6

Максимальная интенсивность 8.5 9.5 12.0

Количество импульсов 45 50 80

Фазы возникновения ЧР 60° 55° 45°

Сопоставление данных рисунков 3, 4 и таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы:

• интенсивность сигналов ЧР при одинаковом напряжении 30 кВ возрастает от изолятора №1 к изолятору №2 и далее к изолятору №3;

• различие в интенсивности ЧР уменьшается с ростом приложенного напряжения;

• сигналы ЧР наблюдаются на сильном фоне переменного напряжения с частотой 50 Гц;

• спектральный состав сигналов ЧР, детектируемых акустическим и индукционным датчиками практически одинаков и имеет максимум в частотном диапазоне 12500-13500 Гц.

Следовательно, в условиях реальной эксплуатации фарфоровых изоляторов, находящихся под стандартным рабочим напряжением, возможна оценка их дефектного состояния по трем параметрам: максимальной интенсивности (заряду), времени возникновения, относительно фазы и количества ЧР в каждый полупериод приложенного напряжения. Причем для каждого типа изоляторов необходимо проведение сравнительных оценок с использованием полностью рабочего бездефектного изолятора.

Было изучено влияние перенапряжения и изменения формы переменного напряжения на параметры ЧР. В ходе исследований было установлено, что с ростом перенапряжения интенсивность и частота повторения ЧР нелинейно возрастают, что свидетельствует о возможности возникновения электрического пробоя.

Четвертая глава содержит результаты применения разработанной комплексной методики изучения ЧР и анализа на этой основе дефектного состояния высоковольтных изоляторов из высокополимерных материалов. В качестве объекта исследований были выбраны отечественные высокополимсрные изоляторы нового поколения ЛК 70/30, рассчитанные на номинальное напряжение 30 кВ. Все они были работоспособны, как следует из данных Чистопольских электрических сетей; изоляторов №1 не содержал дефектов, образец №2 имел повреждение цельнолитой оболочки, а №3 повреждение стеклопластикового стержня вблизи его контакта со стальным оконцевателем. Использование двух акустических датчиков позволило определить места дефектов в изоляторах №2, №3, на основе анализа амплитудно-фазовых и частотно- фазовых характеристик и зависимостей начала возникновения ЧР от приложенного напряжения. Были установлены основные особенности параметров ЧР в бездефектном и дефектных образцах, которые можно сформулировать следующим образом: в зависимости от степени влияния дефекта на электрические свойства высокополимерных изоляторов в них наблюдалось уменьшение порогового значения высокого, напряжения, необходимого для возникновения ЧР, по сравнению с бездефектным образцом; фазовые области напряжения, в которых наблюдались ЧР сжимались в более узкую область ближе к нулевым значения фазы; число частичных разрядов уменьшалось, а интенсивность их в дефектных изоляторах возрастала. Наиболее существенные параметры ЧР приведены в табл. 2.

Сопоставление параметров ЧР позволило сделать вывод о том, что изоляторы №1 и №2 вполне пригодны для дальнейшего использования, значительно отличавшийся по характеристикам ЧР изолятор №3, требует замены.

На рис.5,6 представлены параметры ЧР для фарфоровых и полимерных изоляторов с различной дефектностью.

Таблица. 2

Номер изолятора Напряжение кВ ФазаЧР 0-90 Средняя интенсивность отн. ед. Число ЧР за Фазу

№1 Момент возникновения ЧР 23 15°-80° 35 35

Перенапряжение 30 5°-50° 50 80

№2 Начало 21 20а-75° 40 40

Перенапряжение 30 15°-50° 60 60

№3 Начало 19 200-70° 45 60

Перенапряжение 30 25°-40° 80 22

15 □ Количество импульсов а Фазы возникновения ЧРО

12

ШМвксимюьная интенсивность

Рис.5 Параметры ЧР для фарфоровых изоляторов №1 №2 №3

Таким образом, наиболее важными параметрами ЧР, необходимыми для оценки влияния дефекта на рабочее состояние высокополимерных изоляторов являются, напряжение момента возникновения ЧР, фазовая область генерации ЧР и их интенсивность. Поскольку в производственных условиях невозможно определять величину напряжения начала ЧР, то остаются только сравнения фазового пространства ЧР и их интенсивности.

В таблице 3 представлено сравнение ГОСТ 20074-83 и предлагаемого метода для оценки состояния высоковольтных изоляторов

П Количество инпульссщ

□ Фазы возникновения ЧРП

■ Средняя интенсивность

Рис.6 Параметры ЧР для высокополимерных изоляторов №1 №2 №3

Таблица 3

ГОСТ 20074-83 Предлагаемый метод

Интенсивность ЧР Кажущийся разряд единичного ЧР Частота следования частичных разрядов Средний ток Дополнительная мощность Суммарный разряд за интервал времени Усредненные по периоду переменного напряжения параметры ЧР Средняя интенсивность Средняя частота следования ЧР Средний ток Момент возникновения ЧР в зависимости от амплитуды и фазы переменного напряжения

Измерительная схема с соединительным конденсатором или трансформатором, т.е. . электрический метод детектирования ЧР (контактный способ) Измерительная схема с акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками (Бесконтактный способ)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основным результатом исследований и разработок, выполненных автором в настоящей диссертации, является осуществление автором цели работы — разработка способа и измерительной системы для оценки состояния высоковольтных изоляторов путем мониторинга частичных разрядов.

Достижение поставленной цели было осуществлено применением комплексного подхода к решению поставленных задач, включавшему теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в различных диэлектрических материалах, разработку комплексного метода анализа параметров ЧР и определения их оптимального набора, создания экспериментальной измерительной системы и проведения в ней измерений параметров ЧР в высокополимерных материалах и изоляторах.

В результате выполнения работы были получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

• Проведенный информационный анализ показал, что для контроля рабочего состояния высоковольтных диэлектрических изоляторов, используемых в энергетических установках, перспективен метод ЧР. Однако способы такого контроля, определяемые нормативными документами (ГОСТ 20074-83 и 1ЕС -270), не дают полную информацию о всех , параметрах ЧР и, следовательно, ие позволяют полностью идентифицировать дефекты в изоляторах находящихся под рабочим напряжением. Поэтому разработка новых методов анализа ЧР, повышающих достоверность и точность определения дефектов изоляторов, является важной и актуальной научно-технической задачей.

■ Разработанная методика анализа частичных разрядов, основывается на измерении таких усредненных по времени параметров импульсов ЧР как интенсивность^ частота следования, в зависимости • от фазы приложенного напряжения, и- начало возникновения ЧР в зависимости от амплитуды переменного напряжения. Обоснована достаточность измерения этих параметров и построения на этой основе амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик ЧР для определения вида и места дефекта, а также его влияние на работоспособность высоковольтных изоляторов, находящихся под рабочим напряжением.

• Разработана комплексная методика одновременного использования акустических, индукционных и электромагнитных датчиков ЧР, позволяющая повысить точность измерения параметров разрядов и определения мест дефектов.

• Разработана и создана измерительная система для определения параметров ЧР с помощью акустических, индукционных и электромагнитных датчиков и их компьютерного накопления и обработки.

• Анализ амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик ЧР в фарфоровых и полимерных изоляторах позволил установить места дефектов и установить основные закономерности возникновения ЧР в этих материалах и связать их с видами дефектов и их влиянием на работоспособность изоляторов.

• Показана возможность применения разработанной методики и измерительной аппаратуры для проведения испытаний высоковольтных изоляторов различных типов в производственных условиях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

ЬГоленшцев-Кутузов В.А. Применение компьютерной обработки сигналов для регистрации частичных разрядов /В. А.Голепищсв-Кутузов, А.В .Голенищев-Кутузов, А.А.Захаров, Г.С.Федоров// X Международная конференция «Физика диэлектриков (Диэлектрики - 2004)» 23 - 27 мая 2004п Материалы докл. - С.Петербург. 2004. -С. 141-142.

2. Захаров A.A. Обработка сигналов частичных разрядов на основе компьютерного комплекса /А.А.Захаров, Г.С.Федоров, A.B.Голснищев-Кутузов// XI Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2 марта 2005г: Тезисы докл. -М. 2005. -т.1. -С. 425.

3. Голенищев-Кутузов В.А. Контроль рабочего состояния и прогнозирование срока службы диэлектрических элементов /В.А.Голенищев-Кутузов, А.В.Голенищев-Кутузов, Г.С.Федоров// Всероссийский электротехнический конгресс «ВЭЛК-2005» 26-30 сентября 2005п Материалы конгресса. -Москва, МЭИ. 2005. С. 89.

4. Федоров Г.С. Регистрация и обработка сигналов частичных разрядов аппаратно программным комплексом /Г.С.Федоров, А.В.Голенищев-Кутузов// XII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2-3 марта 2006г: Тезисы докл. -Москва, МЭИ. 2006.-tJ.-С. 287.

5. Захаров А А. Оптимальная форма представления параметров частичных разрядов в виде двух или трехмерных амплитудно-фазовых диаграмм /A.A.Захаров, А.В.Голенищев-Кутузов, Г.С.Федоров// Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2005. №11-12. -С.93-96.

6. Голенищев-Кутузов В.А. Контроль рабочего состояния изоляционных элементов высоковольтного оборудования на основе анализа частичных разрядов /В-А.Голенищев-Кутузов, А.В.Голеншцев-Кутузов, Г.С.Федоров// X Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» 18-19 мая 2006г: Материалы конф. — С.-Петербург. 2006.-С. 271.

7. Федоров Г.С. Особенности электрического пробоя в высоковольтных изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов /Г.С.Федоров, А.В.Голенищев-Кутузов// Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2006. -№5-6.-С. 112-113.

Лиц. № 0133 от 11.08.1998 г. Сдано в печать 14.09.2006 г. Формат А5. Бумага офсетная №1, печать р изо графическая

- Тираж 100 экз. Заказ 293 Оперативная типография Казанского НПО ВТИ 420044, г. Казань, пр. X. Ямашева, 36. Тел.: 521-49-67

Введение.

Глава 1. Общая концепция неразрушающего контроля диэлектрических материалов, находящихся под высоким напряжением.

1.1 Основа применения частичных разрядов.

1.2 Основные виды дефектов в высоковольтных изоляторах.

1.3 Теоретические основы процессов электрического пробоя.

Глава 2. Разработка измерительной системы для проведения измерений параметров частичных разрядов в изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов.

2.1 Основные принципы устройств для регистрации ЧР в высоковольтном оборудовании.

2.2 Система для измерения и анализа ЧР в модельных образцах и реальных высоковольтных изоляторах.

2.3 Измерительные датчики.

2.3.1 Индукционный датчик.

2.3.2 Электромагнитный датчик.

2.3.3 Акустический датчик.

2.4 Структура компьютерной системы измерения характеристик ЧР изоляторов.

2.5 Программное обеспечение измерений.

2.6 Характеристики частичных разрядов.

Глава 3. Определение дефектов в реальных высоковольтных изоляторах путем анализа амплитудно-фазовых и амплитудно-частотных диаграмм частичных разрядов.

3.1 Особенности конструкции фарфоровых опорных изоляторов.

3.2 Изучение дефектов в реальных изоляторах.

3.4 Зависимость параметров частичных разрядов от формы переменного напряжения.

Глава 4. Особенности дефектов в полимерных материалах и их определение по параметрам частичных разрядов.

4.1 Электрическая стойкость полимерных материалов и характер ЧР.

Актуальность.

Надежность современных систем производства и распределения электроэнергии во многом зависит от диагностического контроля высоковольтного электрооборудования, основы которого заложены в ГОСТах 20.39.312-85 и 27.002-89 [1, 2]. Как показала практика [3-8] наиболее «слабым звеном» в высоковольтном оборудовании являются изолирующие элементы. Поэтому, не случайно, что методам и системам контроля электрической прочности изоляции всегда уделялось большое внимание. [9,10]

При длительной эксплуатации любых изоляционных материалов, являющихся одним из основных элементов высоковольтных изоляторов, изоляции кабелей или обмоток, в них возникают первичные дефекты. Помимо этого, дефекты могут образовываться и в процессе изготовления самих элементов высоковольтной изоляции. Полный пробой изоляционного промежутка, находящегося под рабочим напряжением, возникает не сразу. Ему, как правило, предшествуют микропробои или электрические разряды, которые шунтируют лишь часть изоляции между электродами. Такие электрические разряды или микропробои получили название частичных разрядов (ЧР). Сами по себе ЧР не всегда вызывают разрушение изоляции, однако, во всех случаях ЧР свидетельствуют о существовании или возникновении первичных дефектов в изоляции. Временной интервал от начала возникновения ЧР до полного пробоя изоляции или разрушения изолятора варьируется от нескольких дней до нескольких лет и поэтому предполагалось, что метод измерения характеристик ЧР, определяемый ГОСТом 20074-83 [11], и последующими ГОСТами для контроля отдельных элементов высоковольтной изоляции.[12,13], даст возможность обнаруживать дефекты на ранней стадии их возникновения, отслеживать их развитие, оценивать текущее состояние изоляции и возможность дальнейшей эксплуатации оборудования.

В соответствии с ГОСТом 20074-83 основной характеристикой ЧР является их интенсивность, которая количественно характеризуется: кажущимся зарядом единичного ЧР, частотой следования частичных разрядов, средним током ЧР. За двадцать лет после введения всех ГОСТов, в результате многочисленных исследований была установлена неполнота информации по ЧР, установленная ГОСТом. В частности, было показано, что важную информацию несет также форма импульса ЧР и время его появления относительно фазы переменного напряжения. [14-20] Однако, и в более расширенном варианте ГОСТа [12,13] предполагается изучение параметров каждого импульса, в то время как, сами ЧР имеют случайный (стохастический) характер и все их параметры сильно изменяются во времени и имеют большой случайный разброс. Вследствие этих особенностей ЧР, как показали лабораторные исследования и применение метода ЧР в практических целях, для получения необходимой точности и достоверности измерения желательно накопление информации за определенный интервал периодов питающего переменного напряжения, а статистические характеристики ЧР желательно дополнять амплитудно-фазовыми и частотно-фазовыми распределениями, т.е. в виде зависимостей амплитуды (заряда) и частоты повторения от фазы напряжения. Кроме того, ГОСТ устанавливает метод измерения характеристик ЧР только на испытательном стенде и не касается методов измерения характеристик изоляции электрооборудования, находящегося в эксплуатации, т.е. под рабочим напряжением. Измерение сигналов ЧР в условиях эксплуатации является более сложным и трудоемким по сравнению со стендовыми измерениями. В первую очередь это касается выделения сигнала ЧР из различного рода помех, уровень которых на действующих электрических станциях и подстанциях значительно выше, чем при стендовых испытаниях. Кроме случайных помех, не имеющих каких-либо четких спектральных характеристик, на сигналы ЧР накладывается фон высокого переменного напряжения на основной частоте и гармонических составляющих. Большинство существующих на сегодня приборов для измерения ЧР не обеспечивают выделения необходимого уровня сигналов ЧР из помех, поэтому минимально регистрируемый уровень сигналов ЧР из сигналов помех, оказывается недостаточно большим и не обеспечивает надежного обнаружения дефектов изоляции в полевых условиях. ГОСТами [11,12] предусматривается в качестве метода измерения ЧР только электрический метод, при котором сигналы ЧР поступают на измерительную схему посредством связующего конденсатора. Использование одного метода регистрации ЧР ограничивает применение данного метода, например, при контроле рабочего состояния высоковольтных изоляторов на подстанциях, поскольку невозможно подобное подключение соединительного конденсатора. Кроме того, при электрическом методе регистрации делается невозможной точная локализация дефекта. Как показала практика последних лет, наиболее эффективно для регистрации параметров ЧР использование нескольких типов датчиков: акустического, индукционного, электромагнитного и электрического в зависимости от частотного интервала наиболее сильных помех и характеристик самих ЧР.

После отделения мешающих сигналов необходимо не только фиксировать параметры ЧР, но, и это самое главное, определять тип источника ЧР на уровне сегодняшних знаний о процессах и механизмах электрического пробоя в различных изоляционных материалах и изделиях. Идентификация типа источника ЧР по данным, полученным в реальных условиях эксплуатации, является пока не полностью разрешимой задачей. Точное решение этой проблемы возможно только для отдельного конкретного высоковольтного оборудования: высоковольтных опорных или проходных изоляторов, обмоток трансформаторов или машин и т.д. Причем, в каждом случае необходимо учитывать конструкцию и параметры конкретного оборудования, характеристики диэлектрического материала в сочетании с наиболее полными характеристиками самих частичных разрядов.

Состояние проблемы.

В настоящее время метод ЧР нашел реальное применение только для контроля дефектности изоляции высоковольтных обмоток трансформаторов, изоляции электрических машин и изоляции высоковольтных кабелей, для которых, как правило, характерен только один вид электрического пробоя [20-24]. В то же время существующие методы контроля по ЧР не решают вопроса о контроле дефектов опорных и проходных высоковольтных изоляторов.

Сложный характер пробоя, изоляторов показывает, что для того, чтобы по частичным разрядам судить о таких параметрах, как величина дефектов, тип дефектов, состояние поверхности и т.д. необходимо в первую очередь идентифицировать частичные разряды, т.е. выделить их среди других видов пробоя, а также провести анализ основных характеристик частичных разрядов. Необходимость поиска критериев дефектного состояния изоляторов требует сохранения результатов измерений ЧР в пополняющуюся базу данных для постепенного накопления данных и выработки по ним теоретических моделей и статистических зависимостей. Выполнение всех этих задач немыслимо без применения компьютерной обработки данных. В связи с этим в области контроля состояния изоляторов существует практическая потребность в разработке эффективных информационно-измерительных систем измерения частичных разрядов и последующего анализа их характеристик.

С другой стороны, в последнее время возникла необходимость проверки рабочего состояния опорных и проходных изоляторов, находящихся в эксплуатации более установленного для них срока. В этом случае требуется, как указывается в указаниях РАО ЕЭС России, достаточно быстрая и конкретная оценка работоспособности на текущий момент. Таким образом, становится актуальной задача разработки достаточно простой и в тоже время достаточно точной методики и устройств для оценки работоспособности изоляторов.

В настоящее время в высоковольтном энергетическом оборудовании наряду с широко используемыми фарфоровыми изоляторами начали находить применение высоковольтные изоляторы, например, типа JIK. Кроме этого, различные полимерные материалы, уже используются в широком классе высоковольтного оборудования: высоковольтная обмотка трансформаторов, кабелях, вводах и других устройствах с применением диэлектрических изолирующих материалах. Общеизвестно , что физико-химические свойства полимерных материалов резко отличаются от свойств поликристаллических и керамических материалов, к которым относится и фарфор. Поэтому весьма важной задачей является всестороннее изучение электрофизических параметров полимерных материалов в рабочих условиях, т.е. при воздействии на них высокого переменного напряжения.

Цель диссертационной работы - разработка способа и измерительной системы для контроля состояния высоковольтных изоляторов мониторинга параметров частичных разрядов.

Основные задачи.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

1. Провести теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах на их основе.

2. Разработать комплексный метод совместного детектирования сигналов ЧР с помощью акустического, индукционного и электромагнитного датчиков с последующим компьютерным анализом параметров сигналов ЧР.

3. Создать экспериментальную установку на основе метода совместного детектирования ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками, позволяющий определять такие параметры ЧР как заряд, длительность, начало возникновения импульсов в зависимости от амплитудного значения и фазы переменного напряжения; использовать ПК для накопления данных и их обработки.

4. Провести измерение параметров ЧР в реальных образцах высоковольтных изоляторов из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов, а также модельных образцах и изоляторах с различной степенью дефектности.

5. Определить оптимальный набор параметров ЧР, необходимых для определения места дефектов, их идентификации и влияния на работоспособность высоковольтных фарфоровых и полимерных изоляторов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. На основе теоретического рассмотрения процессов и механизмов электрического пробоя в керамических и полимерных материалах и высоковольтных изоляторах обоснована необходимость применения комплексного метода детектирования ЧР в высоковольтных изоляторах с помощью одновременного использования акустических, индукционных и электромагнитных датчиков, с последующим накоплением и компьютерным анализом набора параметров ЧР.

2. Разработана и создана система для определения параметров частичных разрядов путем одновременного детектирования сигналов ЧР акустическим, индукционным и электромагнитным датчиками с последующим компьютерным анализом в различных модельных образцах диэлектрических материалов и реальных опорных, подвесных и проходных высоковольтных изоляторах.

3. На основе экспериментального изучения дефектов в высоковольтных изоляторах типов ОСИ и ЛК показано, что по амплитудно-фазовым и частотно-фазовым характеристикам ЧР возможна оценка их работоспособности, как в данный момент времени, так и в дальнейшей эксплуатации с учетом вида и места дефекта.

4. Установлены основные закономерности возникновения частичных разрядов в изделиях из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов и их связи с видами дефектов.

Практическая значимость работы. Разработанный метод и измерительная система могут быть использованы для оценки состояния изолирующих элементов в высоковольтном оборудовании энергетических систем, и в первую очередь для опорных, проходных и подвесных высоковольтных изоляторов.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Для оценки дефектности высоковольтных диэлектрических элементов предлагается использовать следующие усредненные по временному интервалу параметры частичных разрядов: интенсивность (кажущийся разряд); частота следования, в зависимости от фазы приложенного переменного напряжения; начало возникновения частичных разрядов в зависимости от амплитуды переменного напряжения, определенные с помощью нескольких способов детектирования ЧР.

2. Наиболее важные характеристики сигналов частичных разрядов, требуемые для определения параметров дефекта, перспективно представлять в виде двухмерных или трехмерных амплитудно-частотных фазовых диаграмм.

3. Для высоковольтных фарфоровых изоляторов наиболее распространенным является пробой по поверхности, а для высокополимерных изоляторов также пробой на дефектах внутри изоляторов.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения , четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы.

Основные результаты работы были получены на изоляторах JIK 70/30, ранее находившихся в работе в Чистопольских сетях «Татэнерго». Были исследованы три идентичных изолятора: один из которых не имел заметных дефектов (№1); во втором изоляторе (№2) был дефект в виде среза на цельно литой оболочке; третий изолятор (№3) содержал дефект в виде среза на несущем стержне. Дефекты в обоих изоляторах были расположены в близи оконцевателя общий вид частотно фазовой характеристики для образца №1 представлен на рис.4.3.

В без дефектном образце (№1) с ростом приложенного напряжения ЧР возникают скачкообразно при пороговом напряжении 22 - 23 кВ. Если при относительно низком напряжении (23кВ) ЧР распределены в основном в фазовом пространстве положительной полуволны (15°-80°), то при предпробойном напряжении 30 кВ фазовое напряжение смещается в область (5°-50°).

10 х и 6 а & я а о 4

0 т £ 1 г 1 t » \ * N. t \ \

I г 1 : / 1 1 'V. V, ■ г ! 1 Г 5 1 Г / ;/ л- / i / ч

• 1 , • • 1 г ! 1 7 V. \ / / \ * • / ' г ; / ' / г 1 \ V ъ \ // \ / / \ \ 1 \ '

1 • ;/ . ' > \\ ч * / :/ /. > » \ ' \\

45

90

135 180 Фаза

225 270

315

360 25 кВ

-30 кВ

-напряжение на изоляторе

Рис. 4.3 общий вид частотно фазовой характеристики для высокополимерного изолятора №1

Подобное смещение ЧР наблюдается и для отрицательной полуволны. Причем средняя интенсивность ЧР возрастает в 2-3 раза при изменении напряжения от 23 до 30 кВ. Следует отметить, что по интенсивности ЧР резко отличались. Интенсивность одних из них (микроразряды) не превышали нКл и мало зависели от амплитуды приложенного напряжения. Другая группа (макроразрядов) ЧР имела значительно большую интенсивность, которая изменялась с ростом напряжения, именно интенсивность последних рассматривается в нашем обсуждении. Общее количество макро разрядов возрастало с ростом напряжения в 2-3 раз, а их количество примерно в 1,5-2 раза в положительной полуволне чем в отрицательной полу волне. Также число ЧР в растущей части волны в несколько раз превышает число ЧР в спадающей части периода. Изменения фазового пространства с ростом высокого напряжения практически одинаковы для положительной и отрицательной полуволн.

При исследовании дефектного образца № 2 было обнаружено уменьшение прорывного напряжения для возникновения ЧР на2кВ(~10%) по сравнению с образцом №1. При пороговом напряжении (21 кВ) фазовое пространство ЧР для положительной полуволны было в интервале (20°-75°), а при 30 кВ оно смещалось в интервал (15°~50°). Общее количество ЧР при этом несколько уменьшалось по сравнению с их числом при 23 кВ по сравнению с 30 кВ для бездефектного изолятора. Фазовые соотношения для отрицательной полуволны соответствовали приведенным в начале данным для положительной полуволны.

Наиболее значительными изменения параметров ЧР наблюдались в образце № 3. Во первых, было обнаружено дополнительное уменьшение порога возникновения ЧР до 19 кВ. При этом фазовое пространство ЧР было меньше, чем у образцов №1 и №2 и занимало интервал (20°-70°). При достижении амплитудного напряжения в 30 кВ фазовое пространство сужалось в интервал (25°-40°), а количество ЧР резко убывало по сравнению с их числом при 23 кВ и особенно сильно отмечалось от данных для образцов №1 и №2.

Одновременно для всех образцов с ростом напряжения до 23 кВ в близи амплитуд фазных напряжений (90°-270°) наблюдались интенсивные ЧР, которые по своим характеристикам могут быть отнесены к сигналам от короны.

Основные данные приведены в табл. 4.1 где в графах «Момент возникновения ЧР» и «Перенапряжение» указаны параметры ЧР соответствующие данным состояниям испытуемых изоляторов.

Следует подчеркнуть, что обнаруженные количественные различия в параметрах ЧР относится только к данному типу изоляторов, и могут различаться для других типов высокополимерных. Однако качественные характеристики ЧР необходимы для оценки дефектов будут сохранять свое значение.

Табл. 4.1 Основные параметры ЧР для трех полимерных изоляторов.

Номер изолятора Напряжение кВ ФазаЧР 0-90 Средняя интенсивность отн. ед. Число ЧР за Фазу

1 Момент возникновения ЧР 23 15°-80° 35 35

Перенапряжение 30 5°-50° 50 80

2 Момент возникновения ЧР 21 20°-75° 40 40

Перенапряжение 30 15°-50° 60 60

3 Момент возникновения ЧР 19 20°-70° 45 60

Перенапряжение 30 25°-40° 80 22

Переходя к анализу полученных результатов по детектированию ЧР в исследуемых изоляторах, можно отметить следующие особенности:

• Частичные разряды даже в полностью рабочем изоляторе, что подтверждается его испытаниями в Чистопольских сетях Татэнерго, начинают возникать только при превышении номинального рабочего напряжения для данного типа изоляторов; в наших экспериментах этот диапазон напряжений составляет 30-40 кВ.

• ЧР в основном возникают в областях контакта между металлическими электродами и полимерным цилиндром

• Фазовые распределения интенсивностей и частоты повторения (числа разрядов на определенный интервал -18°) зависит от величины приложенного напряжения. При этом фазовые интервалы смещаются с ростом напряжения от максимумов фазового напряжения (90° и 270°) к нулевым значениям фазового напряжения (0°,180°).

• ЧР первоначально с ростом напряжения возникают в основном в возрастающих положительных (90° - 180°) и отрицательных (270°- 360°) фазах

• Фазовые распределения интенсивности и числа и числа ЧР соответствуют друг другу во всем интервале прикладываемых напряжений.

• Интенсивность и число ЧР нелинейным образом растет с увеличением прикладываемого напряжения.

В высокополимерных изоляторах, имевшие дефекты вблизи одного из электродов параметры ЧР резко изменялись:

• уменьшалось значение переменного напряжения для начала возникновения частичных разрядов

• увеличивалась интенсивность, а количество импульсов ЧР за фазовый период убывало.

• ЧР в фазовом пространстве сместились в более удаленные от пиковых значений (90° и 270°) фазовые углы.

Обнаруженные нами 2 вида ЧР, называемые условно как микро и макроразряды, могут быть объяснены работой M.Nikita etall [39]. В них уже сообщалось об эффекте превращения обычных ЧР в микроразряды при длительном (несколько минут) приложении высокого напряжения в образцах эпоксидной смолы. По-видимому, возникновение микроразрядов в нашем случае связано с микродефектами представленные эквивалентной схемой (рис 4.2).

На основе изучения полученных нами параметров ЧР от всех трех изоляторов и сопоставлении их с уже известными данными по ЧР в полимерных материалах можно сделать следующие выводы о характере дефектов в исследованных высокополимерных изоляторах типа JIK 70/30.

Если для дефектных изоляторов №2 №3 дефекты были заранее известны, то для изолятора №1 таких данных не имелось. Путем использования двух акустических датчиков удалось обнаружить место дефекта с точностью до 10-15 см. Для образца №1 подобным образом было установлено, что параметры ЧР практически не отличаются при акустической локации различных областей образца. Это свидетельствует о том, что причиной ЧР скорее всего является неоднородность структуры внутри изолятора.

Сопоставление параметров ЧР с визуальным состоянием изоляторов позволило сделать вывод о том, что изоляторы №1 и №2 вполне пригодны для дальнейшего использования, значительно отличается по характеристикам ЧР изолятор №3, требующий замену.

Таким образом, наиболее важным параметрами ЧР, необходимыми для оценки влияния дефектов на рабочее состояние высоко полимерных изоляторов являются напряжение начала возникновения ЧР, фазовая область генерации ЧР и их интенсивность. Поскольку в производственных условиях невозможно определять напряжения начала ЧР, то остается сравнение фазового пространства и их интенсивности. Сравнение измеренных параметров ЧР для фарфоровых (табл 3.3) и высокополимерных изоляторов (табл. 4.1). показало их качественное согласие по характеристикам отличия для без дефектных и дефектных изоляторов, что позволяет сделать общий вывод о применимости разработанной методики для оценки дефектности и , следовательно, рабочего состояния различных типов высоковольтных изоляторов (рис 4.4 и 4.5)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

9,5

8,5

45

60

SO

55

15 □ Количество импульсов Фазы возникновения ЧР О

Максимальная интенсивность

12

Рис.4.4 Параметры ЧР для фарфоровых изоляторов №1 №2 №3

Количество импульсов

Фазы возникновения чр о

В Средняя интенсивность

Рис.4.5 Параметры ЧР для высокополимерных изоляторов №1 №2 №3

В представленной ниже таблице приводится сравнение действующего ГОСТа 20074-83 и предлагаемого метода измерения параметров ЧР и оценки состояния высоковольтных изоляторов.

Заключение

Основным результатом исследований и разработок, выполненных автором в настоящей диссертации, является осуществление автором цели работы - разработка способа и измерительной системы для контроля состояния высоковольтных изоляторов путем мониторинга частичных разрядов.

Достижение поставленной цели было осуществлено применением комплексного подхода к решению поставленных задач, включавшему теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в различных диэлектрических материалах, разработку комплексного метода анализа параметров ЧР и определения их оптимального набора, создания экспериментальной измерительной системы и проведения в ней измерений параметров ЧР в высокополимерных материалах и изоляторах.

В результате выполнения работы были получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

• Проведенный информационный анализ показал, что для контроля рабочего состояния высоковольтных диэлектрических изоляторов, используемых в энергетических установках, перспективен метод ЧР. Однако способы такого контроля, определяемые нормативными документами (ГОСТ 20074-83 и IEC - 270), не дают полную информацию о всех параметрах ЧР и, следовательно, не позволяют полностью идентифицировать дефекты в изоляторах находящихся под рабочим напряжением. Поэтому разработка новых методов анализа ЧР, повышающих достоверность и точность определения дефектов изоляторов, является важной и актуальной научно-технической задачей.

• Разработанная методика анализа частичных разрядов, основывается на измерении таких усредненных по времени параметров импульсов ЧР как интенсивность, частота следования, в зависимости от фазы приложенного напряжения, и начало возникновения ЧР в зависимости от амплитуды переменного напряжения. Обоснована достаточность измерения этих параметров и построения на этой основе амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик ЧР для определения вида и места дефекта, а также его влияние на работоспособность высоковольтных изоляторов, находящихся под рабочим напряжением.

• Разработана комплексная методика одновременного использования акустических, индукционных и электромагнитных датчиков ЧР, позволяющая повысить точность измерения параметров разрядов и определения мест дефектов.

• Разработана и создана измерительная система для определения параметров ЧР с помощью акустических, индукционных и электромагнитных датчиков и их компьютерного накопления и обработки.

• Анализ амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик ЧР в фарфоровых и полимерных изоляторах позволил установить места дефектов и установить основные закономерности возникновения ЧР в этих материалах и связать их с видами дефектов и их влиянием на работоспособность изоляторов.

• Показана возможность применения разработанной методики и измерительной аппаратуры для проведения испытаний высоковольтных изоляторов различных типов в производственных условиях.

1. ГОСТ 20.39.312-85. Комплексная система общих технических требований. Изделия электротехнические. Требования по надежности. -М.: Издательство стандартов, 1987. -21с.

2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия термины определения. -М.: Издательство стандартов, 1989. -40с.

3. Аракелян В.Г. Цели, понятия и общие принципы диагностического контроля высоковольтного электротехнического оборудования // Электротехника. -2002. 5. -С.23-27.

4. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. -М.: Энергоатомиздат, -1992. -240с.

5. Kreuger F.H. Partial discharge detection in high-voltage equipment. The Netherlands: Thesis, Delft, -1984. -185p.

6. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. ~М.: Энергоатомиздат, -1994. -495с.

7. Калявин В.П., Рыбаков JT.M. Надежность и диагностика электроустановок. -Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, -2000. -348с.

8. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -322с.

9. ГОСТ 1516.1-76. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. -М.: Издательство стандартов, 1978. -49с.

10. ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. -М.: Издательство стандартов, 1999. -35с.

11. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов. -М.: Издательство стандартов, 1984. -24с.

12. ГОСТ 24427-87. Материалы электроизоляционные. Методы относительного определения сопротивления пробою поверхностными разрядами. -М.: Издательство стандартов, 1989. -Юс.

13. ГОСТ 28114-89. Кабели. Метод измерения частичных разрядов. -М.: Издательство стандартов, 1990. -17с.

14. IEC 270. Partial discharge measurement // International Electrotechnical Commission. -1981. -56p.

15. Bartnikas R. Partial Discharge Measurements // IEEE Trans. DEI. -2000. -V. 7. -P. 10-22.

16. Stone G.C. The use of partial discharge measurements to assess the condition of rotating machine insulation // IEEE Elec. Insul. Mag. -1996. -V. 12. -№4. -P.23-27.

17. Roman P. Maintaining electrical equipment for peak performance // IEEC Conference, September 1997. -Dresden, -1997. -P.467-471.

18. Kane C., Lease В., Golubev A., Blokhintsev I. Practical Applications of periodic monitoring of electrical equipment for partial discharges // NETA Conference, March 1998. -Denver, -1998. P. 102-105.

19. Кац M.A., Силин H.B. Обзор физических представлений о частичных разрядах в высоковольтной изоляции // Материалы научной конференции Вологдинские чтения. Владивосток: ДВГТУ, 2001. -С.26-37.

20. Lundgaad L.E. Partial discharge part XIV: acoustic partial discharge detection - practical application // IEEE Electrical Insulation Magazine. -1992. -V.8, -№5. -P.34-42.

21. Lemke E. PD probe measuring technique for on-site diagnosis tests on HV equipment // 6th ISHNew Orleans 1989. -1989. -P. 15-18.

22. Blokhintsev I., Golovkov M., A. Golubev, C. Kane. Field experiences with the measurement of partial discharges on rotating equipment // IEEE Transactions on Energy Conversion. -1999. -V.14. -№4. P.930-938.

23. Borsi H., Gockenbach E., Werle P. A method for localizing partialdischarges on transformers and similar high voltage engineering. German patent registration. -1999. -12p.

24. Глухов O.A. Оценка высоковольтной изоляции по электромагнитному излучению частичных разрядов в эксплуатационных условиях // Электротехника. -2001. -№4. -С.52-57.

25. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детакционные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург ИЭФ РАН. 2000, 258с.

26. Steiner Y.R. Commercial PD testing // IEEE Electrical Insulation Magazine. -1991. -V.7. №1. -P.20-33.

27. Lundgaad L.E. Partial discharge part XII: acoustic partial discharge detection - fundamental considerations // IEEE Electrical Insulation Magazine. -1992. -V. 8, -№4. -P.30-36.

28. Harrold R. Т., Bakin T. W. Ultrasonic sensing of partial discharges within microfarad value AC capacitors // IEEE Trans. PAS-98. -1979. -№2. -P.444-448.

29. Голенищев-Кутузов A.B., Голенищев-Кутузов B.A., Хизбуллин P.H., Лопухова Т.В. Измерительный стенд для контроля высоковольтных изоляторов // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2000. -Т.2. -№1-2. -С.78-81.

30. Рекомендации Всероссийского научно-технического семинара "Диагностика технического состояния фарфоровых изоляторов высоковольтных коммутационных аппаратов" 27-29 октября 1999г. М.: РАО "ЕЭС России".-1999. -4с.

31. Novak J. P., Bartnikas R. Effect of Dielectric Surfaces on the Nature of Partial Discharges // IEEE Trans. DEI. -2000. -V. 7. -P.146-151.

32. Wang Y. New method for measuring statistical distributions of partial discharge pulses // Journal of Research of the National institute of standards and technology. -1997. -V.102. -№5, -P.569-576.

33. Силин Н.В., Петропавловский Ю.Б. Исследование сигналов от частичных разрядов в высоковольтной изоляции // Сборник статей ТОВМИ им. С.О. Макарова. -2001. -Вып.29. -С.93-94.

34. Paoletti G., Golubev A. Partial discharge theory and applications to electrical equipment Cal-Patterson Cutler-Hammer // TAPPI Conference, March 1999.-1999. -P.33-42.

35. Judd M.D., Cleary G.P., Bennoch C.J. Applying UHF partial discharge detection to power transformers // IEEE Power Eng. Rev. -2001. -V.22. -№8. -P.57-59.

36. Van Brunt R. J. Stochastic Properties of Partial-Discharge Phenomena: A Review // IEEE Trans. Electrical Insulation, Special Issue, Digest of Literature on Dielectrics. -1991. -P. 902-948.

37. Van Brunt R.J., Cernyar E.W. System for measuring conditional amplitude, phase, or time distributions of pulsating phenomena // J.Res. Natl. Inst. Stand. Technol. -1992. -V. 97. -№6. -P.635-672.

38. Hikita M., Yamada K., Nakamura A., Mizutani Т., Oohasi A., Ieda M. Measurements of Partial Discharges by Computer and Analysis of Partial Discharge Distribution by the Monte Carlo Method // IEEE Trans on Elec. Insul. -1990. -V.25. -P.453-467.

39. Алеев P.M., Зарипов Д.К., Лопухова T.B. Комплексный подход к дистанционной диагностике состояния подвесной изоляции. // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2004. -№3-4. -С.78-86.

40. Florkowska В., Wlodek R. Pulse height analysis of partial discharges in air // IEEE Transactions on Electrical Insulation. -1993. -V.28. -№6. -P.932-938.

41. Wang Y., Han X., Van Brunt R. J., Horwath J., Schweikart D. Digital Recording and Analysis of Positive Partial Discharges in Air // Proc. XII Intl. Conference on Gas Discharges and their Applications, Oct 8-12, 1997. Greifswald,

42. Germany. -1997. -P.256-259.

43. Lorenzo del Casale M. Di., Holboll J. Т., Schifani R. Partial Discharge Tests Using CIGRE Method II // IEEE Trans. DEL -2000. -V.7. -P.133-140.

44. Масленников Д.С., Константинов А.Г., Осотов B.H. О тепловизионном контроле электротехнического оборудования // Электрический станции. -1985. -№11. -С.73-75.

45. Козицкий Б. Д., Гнатюк Н.А., Буць Л.Д. Перспективы тепловизионных методов контроля в энергетике // Электрические станции. -1985. -№3. -С.72-73.

46. Обложкин В.А. Тепловизионный контроль при организации ремонтов электротехнического оборудования по его состоянию // Электрические станции. -2000. -№6. -С.58-63.

47. Долин А.П., Цветаев С.К., Поночко Ч. Акустическая локация электрических разрядов в трансформаторах // Электро. 1-2. -2005. -С. 27-31.

48. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Хизбуллин Р.Н. Особенности электрического пробоя высоковольтных изоляторов // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2000. -Т.2, -№9-10, С.54-58.

49. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979. -224с.

50. Krivda A.D. Automated recognition of partial discharge // IEEE Trans. Diel. Insul. -1995. -V.2. -№5. -P.796-821.

51. Yamada K., Hikita M., Oohashi A., Ieda M. A Consideration on swarming Pulsive Microdischarges in CIGRE Method II Electrode System // Proc. of the 18th Symp. onElec. Insul. Materials, IEE Japan. -1985. -P.177-180.

52. Izeki N. Partial Discharge Characteristics of Closed Void for CIGRE Method I Electrode // 1985 National Convention Record of IEE Japan. -1985.1. Р.814-821.

53. Wu К., Suzuoki Y., Mizutani Т., Xi H. A Novel Physical Model for Partial Discharge in Narrow Channels // IEEE Trans. DEI. -1999. -V.6. -P.181-190.

54. Франц В. Пробой диэлектриков. М.Издательство ИЛ. -1961. 207с.

55. Бартенев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров. Л.: Химия. -1990. -430с.

56. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область сильных полей. -М.: Наука.-1961.-907с.

57. Боев С.Г. Ушаков В.Я Радиационное накопление заряда, в твердых диэлектриках и методы его диагностики. М.: Энергоиздат, 1991. -238с.

58. Као К., Хуан В. Перенос электронов в твердых телах. М.: Мир, 1984. ч. 1 и 2.

59. Бонч, Бруевич В.Л., Звязгини П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М/.ГИФМЛ, 1972. -325с.

60. Paris L. Influence of air gap characteristics on line to ground switching surge strength// Trans. IEEE, Power Appar.-1967,V86, p 936 -947.

61. Хаушильд В.,Мош В. Статистика для электротехников в приложении к техники высоких напряжений. М.: Мир, 1985. -286с.

62. Ивановский А.В. Спиров Г.М. Дудай П.В. Стенд для исследования механизмов пробоя изоляционных промежутков короткими импульсами напряжений. // Приборы и техника эксперимента.-2003. -№4, -С.69 -77.

63. Демин В.М., Майбук З.Ю., Лось В.Ф. Аппаратура и методика долговременных измерений электромагнитного излучения и акустической эмиссии // Приборы и техника эксперимента. -1995. -№4, -С. 149-154.

64. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В., Захаров А.А. Цифровой метод регистрации фазовых распределений частичных разрядов проходных изоляторов // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2002. -№11-12. -С. 56-64.

65. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В. Исследование частичных разрядов при электрическом пробое модельных образцов изоляторов из электротехнического фарфора // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2003. -№7-8. -С.55-57.

66. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В. Методика исследования электрического пробоя элементов из электротехнического фарфора // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2003. -№5-6. -С. 130-134.

67. Van Brunt R.J., Cernyar Е. W., P. von Glahn. Importance of unraveling memory propagation effects in interpreting data on partial discharge statistics // IEEE Transactions on Electrical Insulation. -1993. -V.28. -№6. -P.905-914.

68. Сотников B.B. Особенности индукционного действия источника магнитного поля на измерительную обмотку // Изм. техн. -2002. -№1. -С. 5255.

69. Бендицкий А.А., Ковалев А.А., Кондратенко П.С. Анализ конфигурации много микрофонных акустических антенн в приборах на основе оптикоакустической локации. // Измерительная техника. -2002. -№1. -С.62-64

70. Голенко О.В. Живодерников С.В. Овсянников А.Г. Регистрация частичных разрядов в действующем оборудовании цифровым осциллографом. Энергетик. 2001. -ТЗ. -С.48 -70

71. Рихтер Д. Windows для профессионалов. Создание эффективных Win32-npmio)Kemffl с учетом специфики 64-разрядной версии Windows. -СПб.: Питер, 2001.-752 с.

72. Федоров Г.С., Голенищев-Кутузов А.В Регистрация и обработка сигналов частичных разрядов аппаратно программным комплексом // XII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов

73. Радиоэлектроника электротехника и энергетика» 2-3 марта 2006г: Тезисы докл. -М. 2006. —т.1. -С. 287.

74. Боженко И.В., Примак Н.И., Фальковский С.Р. Пробой твердых диэлектриков.// Электричество. -2001. -№9. -С.76-79

75. Багиров М.А., Никольский В.Г., Маггерамов A.M. Влияние надмолекулярной структуры на процесс электрического старения.// Вс. конференция по диэлектрикам. Тезисы докладов. Баку. -1982. -С.84-86

76. Электрические свойства полимеров./ Под ред. СажинаБ.И. Л.: Изд. Химия, 1986. -235с

77. Ушаков В.Я., Робженко A.JL, Важов В.Ф. О роли неоднородности полимеров в развитии разрушенифя под действием электрического поля // ФТТ, Т27, -С. 2361-2366

78. Александров Г.Л., Иванов В.Л., Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения. -Л.: Электоатомиздат, 1984. -248с.

79. Арбов Л.Г., Гефле О.С. Сквирская И.И. Исследование зарождения дендритов в полиэтилене при многоимпульсном воздействии напряжения // Электротехническая промышленность. -1984. -вып 7 (168). -С. 21-25

80. Бычков П.Н., Гефле О.С., Суришков B.C. Влияние микроструктурных нарушений на ресурс полиэтилена в импульсном электрическом поле//Электричество. -1991. -С. 64-67

81. Костюков Н.С. Электрические изоляторы. -М.: Электоатомиздат, 1984. -325с.

82. Химический энциклопедический словарь. М. СЭ. 1983 Статья «высокомолекулярные соединения».

83. Gulski Е., Smit J., Brooks R. Experiences with digital Analisis of Discharges in High Voltage Components. IEEE Electrical Insulation Magazine 1999. VIS p 318 -324.

84. Jevic M., Andreev A.M. PD Tests to Measure the Electrical Treering Resistance of Cable Insulation. IEEE Electrical Insulation Magazine 1999. VIS p 326 -333.1.l

85. Резинкина M.M., Резинкин O.JL, Косенко М.И. Зависимость фазы появления частичных разрядов в полиэтиленовой изоляции // ЖТФ. т71. -2001. -С.69-71

86. Алиев И.И. Колганова С.Г. Электротехнические материалы и изделия // Справочник. М. Радиософт. -2005. -351с.

87. Захаров А.А., Голенищев-Кутузов А.В. Федоров Г.С. Оптимальная форма представления параметров частичных разрядов в виде двух или трехмерных амплитудно-фазовых диаграмм // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2005. -№11-12. -С.93-96.

88. Федоров Г.С., Голенищев-Кутузов А.В. Особенности электрического пробоя в высоковольтных изоляторах из электротехнического фарфора и высокополимерных материалов// Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2006. -№5-6. -С.112-113