автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетического оборудования высоковольтных подстанций

На правах рукописи

Белушкин Михаил Юрьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2004

Работа выполнена в Морском государственном университете (МГУ) имени адмирала Г. И. Невельского

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Киншт Николай Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Жирабок Алексей Нилович Шаталов Валерий Васильевич

Ведущая организация - филиал ОАО "СО-ЦДУ ЕЭС" - "Приморское региональное диспетчерское управление"

Защита диссертации состоится "24" декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212.055.03 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690950 г. Владивосток, ул. Аксаковский пер., За, ауд. Б-107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан "22" ноября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В России пик прироста мощности высоковольтного электроэнергетического оборудования (ВВЭО) приходился на первую половину восьмидесятых годов двадцатого века. Очевидно, что через несколько лет потребности электроэнергетики будет обеспечивать в подавляющем большинстве силовое оборудование, отслужившее нормативный срок службы (25-30 лет). Возможности по замене такого дорогостоящего оборудования весьма ограничены, и возникает проблема распределения необходимых инвестиций на достаточно продолжительный период времени.

В современной электроэнергетической отрасли большое внимание уделяется разработке долговременной стратегии по обновлению и продлению срока службы ВВЭО, входящего в состав электротехнических комплексов и систем (ЭТКС) промышленного, транспортного и специального назначения. Внедрение такой программы требует разработки новых методов и технологий по оценке технического состояния и выявления тех единиц оборудования, продолжение работы которых связано с наибольшим риском. Существующие системы профилактического контроля и диагностики обладают значительной трудоемко -стью и недостаточной метрологической надежностью.

В вопросах исследования работоспособности и качества функционирования высоковольтного электроэнергетического оборудования в составе ЭТКС есть свои специфические особенности. Поскольку циклы планирования вывода в ремонт или замены оборудования занимают месяцы, то акценты сдвигаются в сторону ранней диагностики и предупреждения отказов оборудования, находящегося в непрерывной эксплуатации под рабочим напряжением. По этой причине в России и за рубежом активно проводятся мероприятия по разработке и совершенствованию методов диагностики, основанных на использовании внешних проявлений различных видов электрических разрядов, сопровождающих работу оборудования. Особое внимание в последнее время уделяется высокочастотным электромагнитным полям (ЭМП). Новейшие разработки в области измерительной техники позволяют формировать информационно-измерительные комплексы для исследования электромагнитных полей от сравнительно слабых источников, располагающихся в отдельных элементах конструкции ВВЭО. Динамика развития интенсивности сигналов на отдельных частотах, энергия излучения в определенных диапазонах частот, характерные изменения формы сигналов с ростом числа источников ЭМП и другие признаки могут стать той информационной базой, по которой можно определить характер и место расположения источников, а в дальнейшем осуществлять диагностику технического состояния высоковольтных установок. Для реализации этой возможности необходимы детальные исследования электромагнитной обстановки (ЭМО) и характеристик электромагнитных полей вблизи оборудования в различных режимах его эксплуатации. При этом ЭМО рассматривается не как помехонесущее поле, а как информационное пространство, анализ которого позволяет оценить техническое состояние объекта. И в этом случае электромагнитную обстановку целесообразно подразделять на общую и диагностическую.

РОС. НАЦИОНАЛЬНА* I

БИБЛИОТЕКА____|

СПетерв ОД МО'

Под общей ЭМО понимается совокупность наведенных токов и напряжений, ЭМП любой интенсивности от всех источников электромагнитных возмущений, действующих на высоковольтной подстанции (ВВП).

Диагностическая электромагнитная обстановка несет в себе тот объем информации, который необходим для оценки технического состояния конкретной единицы оборудования.

Целью работы является моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетического оборудования для диагностирования его технического состояния. В качестве объекта исследований в данной работе рассмотрен силовой автотрансформатор ^^ на напряжение 500 кВ как одна из основных единиц электроэнергетического оборудования ВВП. Предметом исследований являются высокочастотные ЭМП, возникающие в результате электрических разрядов во внутренних и наружных частях ВВЭО. Используемые в диссертационной работе методы исследования включают теоретические исследования процессов распространения ЭМП, основанные на методах теоретической электротехники с применением компьютерного моделирования, и экспериментальные исследования ЭМП на высоковольтных подстанциях.

Основные задачи диссертационной работы

• Рассмотреть проблематику диагностирования силового оборудования с целью определения роли и места методики оценки технического состояния ВВЭО на основе анализа его электромагнитных полей. Проанализировать источники ЭМП. Изучить современные методы регистрации сигналов от частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. Рассмотреть проблемы, возникающие при регистрации частичных разрядов, с помощью электромагнитного измерительного преобразователя.

• Провести анализ излучающих свойств конструкции ВВЭО на примере силового AT. Выполнить расчет пространственного распределения ЭМП автотрансформатора с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Построить модель силового автотрансформатора как источника ЭМП. Определить границу между ближней и дальней зонами для исследуемого AT.

• Проанализировать источники электромагнитных возмущений на высоковольтной подстанции, влияющие на формирование общей ЭМО. Разработать и экспериментально опробовать методику измерения диагностической ЭМО.

• Сформировать основные технические требования, предъявляемые к информационно-измерительным комплексам (ИИК) для регистрации и анализа энергетических спектров электромагнитных полей от частичных разрядов, возникающих во внутренней изоляции ВВЭО. Определить состав ИИК.

Научная новизна

• Предложено рассматривать высоковольтные вводы силового автотрансформатора как вибраторные антенны.

• Определены характеристики пространственного распределения высокочастотного электромагнитного поля автотрансформатора с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Для автотрансформатора проведена оценка границы между ближней и дальней зонами излучений.

• Впервые построена модель силового автотрансформатора как источника излучения ЭМП. С помощью модели сформированы топологические карты электромагнитного поля, с использованием которых проводилась диагностика высоковольтного электроэнергетического оборудования.

• Разработана и экспериментально опробована методика измерения диагностической электромагнитной обстановки вблизи электроэнергетического оборудования высоковольтных подстанций.

Практическая значимость результатов работы

В процессе выполнения диссертационных исследований проводились работы по диагностике силовых автотрансформаторов ВВП "Дальневосточная" и "Угольная", на основе анализа их ЭМП. Разработанную методику измерения диагностической ЭМО рекомендовано применять при оперативной оценке технического состояния ВВЭО, а теоретические положения, полученные в диссертационной работе - при интерпретации результатов экспериментальных исследований ЭМП высоковольтного оборудования под рабочим напряжением.

Личный вклад соискателя

Соискатель участвовал в выполнении теоретических и экспериментальных исследований по данной тематике с начала 2001 г. в соответствии с планом госбюджетных НИР кафедры "Радиоэлектроника и радиосвязь" МГУ им. адм. Г. И. Невельского по темам: "Разработка методов диагностирования надежности электронных и биологических систем" (государственный регистрационный номер 01970001965 от 12/2001), "Диагностирование и надежность функционирования электронных и электрических систем управления и передачи информации" (государственный регистрационный номер 01200302811 от 03/2003); лаборатории "Электрофизика и электроэнергетика" Института автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН по теме: "Разработка методов и средств повышения эффективности управления техническими системами". Соискатель принимал участие в экспериментальных исследованиях и обработке полученных результатов на ВВП "Дальневосточная" и "Угольная"; им лично построена модель ВВЭО, с применением которой разработана методика измерения диагностической электромагнитной обстановки.

Достоверность результатов работы основывается на исходных данных о техническом состоянии парка ВВЭО и информации о возникающих дефектах, адекватности используемых математических моделей электрофизических процессов в элементах оборудования, применении сертифицированных в РФ приборов и общепринятых методов измерения электромагнитных полей. Точность расчетов гарантирована производителями использованных программных продуктов "Matlab" и "MM ANA".

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были представлены на международных симпозиумах "Progress in Electromagnetics Research Symposium" (Пиза, Италия, 2004 г.), "Euro Electromagnetics" (Магдебург, Германия, 2004 г.), докладывались и обсуждались на научных семинарах ИАПУ ДВО РАН, кафедре "Радиоэлектроника и радиосвязь" МГУ им. адм.

Г.И. Невельского, на кафедре "Теоретическая и общая электротехника" ДВГТУ в течении 2001-2004 гг., на региональной научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс" (Владивосток, 2002 г.), на V международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2003 г.), на V международном форуме молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 2003 г.), на региональной научно-технической конференции "Наука делает мир лучшим" (Владивосток, 2003 г.).

Основные положения, выносимые на защиту

• Представление высоковольтных вводов AT в виде вибраторных антенн.

• Характеристики пространственного распределения высокочастотного ЭМП автотрансформатора с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Оценка границы между ближней и дальней зонами излучений.

• Модель автотрансформатора, позволяющая исследовать топологию формируемых высокочастотных электромагнитных полей.

• Методика измерения диагностической ЭМО вблизи электроэнергетического оборудования высоковольтной подстанции.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из ПО наименований и 3-х приложений. Общий объем работы составляет 155 страниц, включая 69 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель работы, определены решаемые задачи.

В первой главе рассматривается проблематика диагностирования ВВЭО, дается обзор применяемых методов диагностики. Проанализированы источники электромагнитных полей (коронные разряды, поверхностные частичные разряды, частичные разряды во внутренней изоляции), возникающие как при нормальной работе оборудования, так и при деградации его изоляционных конструкций, приведены их частотные характеристики.

Показано, что для оценки технического состояния ВВЭО чрезвычайно важно получить информацию об уровне и интенсивности частичных разрядов (ЧР) во внутренней изоляции. Это обусловлено тем, что с частичными разрядами связано около 60 % всех дефектов в электроэнергетическом оборудовании.

В настоящее время используются различные методы регистрации сигналов от ЧР в изоляции высоковольтного оборудования. Их можно разделить на две группы: электрические и неэлектрические. Электрические методы основаны либо на регистрации сигналов, передаваемых по кабелям связи, либо на измерении ЭМП оборудования в области высоких и сверхвысоких частот. К неэлектрическим методам регистрации сигналов относятся хроматографический анализ растворенных газов, акустическая дефектоскопия, тепловизионный и оптический контроль.

Проанализированы основные проблемы, связанные с регистрацией ЭМП от частичных разрядов, такие как необходимость селекции исследуемых полей от электромагнитных возмущений, действующих на высоковольтной подстанции, и повышение достоверности обнаружения источника ЭМП.

8 9

Длительность импульсов тока ЧР лежит в интервале 10" -;-10" с и, следовательно, верхняя часть диапазона частот электромагнитных полей, излучаемых ВВЭО, может простираться вплоть до сантиметровых волн. Сегодня для регистрации частичных разрядов используются ИИК с верхней границей частотного диапазона, достигающего 2 ГГц. Анализ источников излучения ЭМП показывает, что регистрация сигналов от ЧР во внутренней изоляции на частотах от нескольких килогерц до десятков мегагерц на действующем оборудовании в полевых условиях вызывает затруднение, поскольку уровни сигналов от внешних помех, поверхностных частичных разрядов и короны превышают уровень сигналов от частичных разрядов во внутренней изоляции. Практика показывает, что сигналы от коронных разрядов регистрируются примерно до частоты 100 МГц. Следовательно, логично предположить, что надежная регистрация сигналов от ЧР во внутренней изоляции возможна на частотах выше 100 МГц.

Электромагнитные поля от частичных разрядов несут в себе ценную информацию о техническом состоянии электроэнергетического оборудования, причем эта информация передается в эфир непрерывно. Измерение и анализ ЭМП в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазоне частот, источниками которых являются частичные разряды во внутренней изоляции, — один из перспективных методов диагностики оборудования на ранних стадиях процесса деградации изоляции. Этот метод обеспечивает дистанционный анализ исследуемого объекта в различных режимах его эксплуатации и является принципиально новым подходом к контролю состояния ВВЭО станций и подстанций.

Система контроля ВВЭО на основе анализа ЭМП от ЧР позволяет:

• проводить диагностику при нулевой и отрицательной температуре, когда применение всех других методов диагностики затруднительно;

• контролировать наиболее важный критерий оценки состояния высоковольтного оборудования - сигналы от частичных разрядов, изменение характеристик которых сигнализирует о развитии наиболее опасных дефектов;

• прогнозировать процесс ухудшения состояния ВВЭО, выявлять быстро-развивающиеся дефекты без вывода оборудования из рабочего режима. Эксплуатация системы не предусматривает подключение измерительных преобразователей к оборудованию и не приводит к снижению надежности его работы.

Во второй главе проведен анализ излучающих свойств конструкции ВВЭО на примере силового ЛХ на напряжение 500 кВ, как одной из основных единиц оборудования высоковольтных подстанций России, входящих в состав ЭТКС промышленного, транспортного и специального назначения (рис. 1).

Электромагнитные поля, связанные с ЧР во внутренней изоляции, излучаются в окружающее пространство через элементы конструкции, изолированные от корпуса ЛХ. Это обусловлено тем, что корпус автотрансформатора заземлен и исполняет роль достаточно хорошего "экрана" для всех высокочас-

тотных ЭМП, исходящих от источников частичных разрядов, расположенных внутри бака AT. Излучающими элементами конструкции автотрансформатора

являются высоковольтные вводы (ВВ) как для источников электромагнитных полей от ЧР, возникающих из-за внутренних дефектов изоляции вводов, так и для источников, находящихся внутри бака.

Для расчета распределения ЭМП силового автотрансформатора излучающие элементы его конструкции (высоковольтные вводы) представляются в качестве вертикальных вибраторов. На начальном этапе расчета рассматривается излучение каждого ввода в отдельности (ВВ представляются в виде симметричных вибраторов). На следующем этапе принимается во внимание, что каждый ввод располагается на баке AT (в этом случае получаются несимметричные вибраторы, расположенные на подставке). На заключительном этапе учитывается взаимное переизлучение всех ВВ автотрансформатора (случай связанных вибраторов).

Рис. 2. Симметричный вибратор

Рис. 3. Несимметричный вибратор, установленный на подставке

Расчет распределения ЭМП симметричного вибратора (рис. 2) проводит ся с использованием векторного потенциала. Векторный потенциал в произ вольной точке наблюдения дальней зоны Р(х,уопределяется выражением:

ехр(-]кК) \

<00=-

(1)

-I

где (в показателе подынтегральной экспоненты) представляет собой

разность хода лучей, проведенных из начала координат и из текущей точки ин-

8

тегрирования г' в точку наблюдения; k — волновое число; Я,д,(р — координаты точки Ръ сферической системе координат, центр которой помещен внутри излучающей системы; I - половина длины вибратора, Д. ю - ток вдоль вибратора.

Выражение для напряженности поля симметричного вибратора в дальней зоне имеет вид:

где Z- волновое сопротивление среды; I,, -ток в точке питания.

Вышеприведенные соотношения позволяют получить расчетные формулы для напряженности поля, когда высоковольтные вводы установлены на баке автотрансформатора. В этом случае получается несимметричный вибратор, расположенный на подставке, в основании которого находится источник сигналов (рис. 3). Рассматривая вибратор и подставку как сумму элементарных электрических диполей и задаваясь вдоль них распределением тока, выражение для напряженности поля в дальней зоне будет иметь вид:

"вв'

г ехр(-ДК)

4жБт Ы Я

где

(3)

(4)

'о -I

Я - расстояние от основания подставки (начала координат) до точки наблюдения; 1г{г) - ток вдоль вибратора; /0 — ток в точке питания.

Интегрирование ведется как вдоль вибратора, так и вдоль его зеркального изображения. В этом случае выражение напряженности поля в дальней зоне для несимметричного вибратора, установленного на подставке, представляется в виде:

]к2 ехр (-]кК) соб М^ со$(к1 соя в) - соэ И соб^/^ соэ в)

вв ~- о--■

2л5тк1 Я ьтЩсо ак^агяв

Принимая Е{6) - 005^ с°3 С03 М С03№2008

выражение (5) можно записать следующим образом: _дг__г ехр (-у&й) ^

2л$\пк1

(5)

(6)

(7)

Для учета взаимного переизлучения всех высоковольтных вводов автотрансформатора используется метод наведенных ЭДС. Рассматривается случай пяти несимметричных связанных вибраторов, который соответствует поставленной задаче - автотрансформатор имеет пять высоковольтных вводов (рис. 4). Для определения токов и напряжений на входах вибраторов используется схема замещения (рис. 5), которая представляет собой эквивалентный десяти-полюсник, характеризуемый матрицей сопротивлений Ъ Элементы главной диагонали матрицы ¿Гц, "¿гъ Жзз> 2 44, представляют собой собственные сопротивления вибраторов, определяемые в режиме холостого хода других виб-

раторов. Остальные элементы матрицы Z являются взаимными сопротивлениями, учитывающими электромагнитную связь между вибраторами.

Рис. 4. Связанные вибраторы

Рис. 5. Схема замещения связанных вибраторов

Применяя метод наведенных ЭДС и учитывая, что напряженность поля в дальней зоне для несимметричного вибратора рассчитывается согласно выражению (7), распределение электромагнитного поля силового автотрансформатора определяется как суперпозиция напряженностей электромагнитных полей от всех высоковольтных вводов:

где Евв1 - 1-й элемент матрицы-столбца напряженностей ЭМП вибраторов, связанной с матрицей-столбцом токов 1щ вибраторов следующим образом:

■РД0) - коэффициент, зависящий от размеров /-го высоковольтного ввода и вычисляемый по формуле (6). Расчет распределения электромагнитного поля силового автотрансформатора представляет собой трудоемкую задачу, которую необходимо решать с помощью ЭВМ. Наиболее точные результаты, достоверность которых подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных дан-

ю

ных, получены с помощью программного продукта "MMANA", который работает в среде "Windows". Программа используется для моделирования антенн и излучающих конструкций и обладает широкими возможностями и достаточно высокой точностью расчета. "MMANA" позволяет рассчитывать распределение электромагнитного поля в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под различными углами места), проводить расчет напряженностей электрического и магнитного полей исследуемого объекта в заданном пространстве, определять распределение токов в проводниках, сравнивать результаты моделирования.

С помощью программного продукта "MMANA" построена модель силового автотрансформатора типа АОДЦТН 16700/500/220 (рис. 6), установленного на подстанции "Дальневосточная". В модели учтены геометрические размеры элементов конструкции AT, их взаимное расположение, соединение с шинами и землей. Высоковольтный ввод на напряжение 500 кВ высотой 4,24 м (1) и высоковольтный ввод на напряжение 220 кВ высотой 2,72 м (2) являются главными излучающими элементами. Также в модели представлены три высоковольтных ввода на напряжение 35 кВ длиной 0,76 м (3), расширительный бак (4) и шины на напряжение 500 кВ (5), 220 кВ (б), 35 кВ (7). Все высоковольтные вводы расположены на заземленном баке (8) автотрансформатора, но так как они установлены на изоляторах,

то контакта с баком не имеют. Бак представлен в виде железного цилиндра с удельной электропроводностью 107 См/м, высотой 4,1 м и диаметром 6 м. Земля представлена кольцом на нулевой высоте с внутренним радиусом 6 м и неограниченным внешним радиусом с удельной электропроводностью 210-3 См/м и относительной диэлектрической проницаемостью равной 10. В модели учтены четыре источника сигналов (9) на высоковольтных вводах 500 кВ, 220 кВ и двух вводах 35 кВ. Третий ввод 35 кВ имеет соединение с землей.

Задаваясь значениями частот и варьируя величинами напряжений источников сигналов, проводится регулирование интенсивности электромагнитных излучений от высоковольтных вводов. При изменении уровней излучений получаются диаграммы пространственного распределения ЭМП как для бездефектного автотрансформатора, когда интенсивности всех источников находится на нормальном уровне, так и для AT, имеющего дефекты. В последнем случае интенсивности излучения на дефектных вводах превышают нормальный уровень. Таким образом, вводя в модель дефект, напрямую связанный с уровнем ЭМП, можно прогнозировать изменение топологии электромагнитного по-

Рис. 6. Модель силового AT

ля реального силового AT при возникновении в нем различных дефектов.

Граница между ближней и дальней зонами излучения для высоковольтных вводов АТ (при условии £) £ Я/2) определяется выражением:

где Б - высота ввода; Х- длина волны.

Из выражения (10) видно, что с уменьшением длины волны ближняя зона увеличивается. Расстояние, на котором должна располагаться измерительная антенна от силового автотрансформатора, определяется границей между ближней и дальней зоной для ввода на напряжение 500 кВ. Минимальное удаление антенны от AT ограничивается санитарно-защитной зоной.

В третьей главе представлена разработанная методика измерения диагностической электромагнитной обстановки на высоковольтной подстанции.

К настоящему времени источники электромагнитных возмущений, формирующие общую ЭМО на ВВП, достаточно хорошо изучены. Состав этих источников может меняться при переходе от одной подстанции к другой. Не все источники ЭМП из общего перечня реально могут быть использованы в диагностических целях. Те же из них, для которых возможна регистрация электромагнитных полей, селекция и обработка, могут быть выделены в отдельный список и стать базой для измерения диагностической ЭМО. Наибольший интерес, как отмечалось ранее, представляют источники ЧР во внутренней изоляции. Поэтому разрабатываемая методика измерения диагностической ЭМО на высоковольтной подстанции ориентирована, в первую очередь, именно на регистрацию ЭМП от частичных разрядов во внутренней изоляции.

Всё оборудование ВВП расположено на довольно небольшой площадке, и расстояние между ее отдельными крупными единицами оборудования обычно не превышает десятка метров. Расстояния между мелкими элементами ВВЭО еще меньше. Поэтому встает вопрос выделения ЭМП от частичных разрядов, возникающих именно в диагностируемом объекте. Для этого предложено применить пространственную, частотную и амплитудную селекции сигналов. Пространственная селекция необходима для выделения исследуемых ЭМП от сторонних излучений на подстанции и основана на определении направления прихода полезного сигнала и помехи в место приема. Частотная селекция используется для фильтрации внешних и внутренних помех различного происхождения, действующих на контролируемом оборудовании, при этом учитывается тот факт, что сигналы от некоторых источников электромагнитных полей имеют ограниченный частотный спектр. Амплитудная селекция основана на регистрации сигналов, превышающих определенный уровень по амплитуде.

Предлагаемая методика измерения диагностической электромагнитной обстановки на высоковольтной подстанции базируется на анализе топологии ЭМП силового оборудования. Для этого строится модель исследуемого оборудования в виде совокупности вибраторных антенн. В модели должны быть учтены геометрические размеры элементов конструкции ВВЭО, их взаимное расположение, соединение с шинами и землей. Для модели в исследуемом диапа-

зоне частот формируются диаграммы распределения ЭМП при горизонтальной и вертикальной поляризации сигнала под расчетным углом места. Угол места определяется из геометрических соотношений высоты поднятия измерительной антенны над землей и расстояния, на которое будет удалена антенна от исследуемого оборудования при проведении эксперимента. Выбор минимального расстояния, на котором может располагаться антенна, ограничивается границей между ближней и дальней зонами излучений. При этом следует учитывать са-нитарно-защитную зону вокруг исследуемого объекта, ближе которой производить измерения запрещено правилами техники безопасности.

Следующим шагом является анализ диаграмм пространственного распределения ЭМП модели. На начальном этапе необходимо разбить исследуемый диапазон частот на поддиапазоны, в которых электромагнитное поле имеет примерно одинаковое распределение (сохраняется направление основных максимумов и минимумов топологии ЭМП). Далее в диаграммах распределения электромагнитного поля исключают из рассмотрения сектора, в которых для реального силового оборудования невозможно проводить измерения в полевых условиях ввиду расположения вблизи этого оборудования защитных ограждений, вспомогательного или близко расположенного ВВЭО (в этом случае также будут регистрироваться электромагнитные поля, не связанные с исследуемым объектом). На следующем этапе в выделенных для проведения эксперимента секторах необходимо отметить оптимальные точки расположения измерительной антенны, которые определяются по "пологим" максимумам топологии ЭМП. На завершающем этапе происходит составление топологических карт с нанесением на них оптимальных точек для проведения измерений с указанием поддиапазона частот и поляризации сигналов. Оптимальное расположение измерительной антенны позволяет регистрировать электромагнитные поля именно от исследуемого объекта в точках их максимальной интенсивности.

При проведении экспериментальных исследований во всех точках, где будет располагаться антенна, необходимо измерить спектральные плотности мощности электромагнитного поля и зафиксировать их описание на соответствующей топологической карте в базе данных.

В дальнейшем при оценке технического состояния исследуемого объекта используются уже составленные топологические карты. Измерительную антенну необходимо устанавливать в отмеченных на них оптимальных точках. Если произошло изменение спектра ЭМП по сравнению с предыдущими измерениями, проводимыми на исследуемом объекте, то в этом случае необходимо провести диагностику данного объекта сертифицированными методами диагностирования. Дефекты, выявленные при диагностике, необходимо занести в базу данных. В процессе накопления базы данных выявляются тенденции в изменении спектров ЭМП и устанавливается их связь с возникающими дефектами.

Весьма перспективными могут стать исследования по локализации дефектов в наружных частях ВВЭО на основе введения дефектов в его модель. В главе 2 было показано, что распределения ЭМП "бездефектной" модели оборудования и модели с введенным в нее дефектом имеют различия. Сопоставление расчетных данных модели с данными эксперимента на реальном силовом обо-

13

рудовании, имеющим дефекты, поможет локализовать места их возникновения.

Для проверки корректности результатов расчета топологии ЭМП с помощью модели были проведены экспериментальные исследования на действующем оборудовании высоковольтной подстанции с помощью ИИК на основе панорамного анализатора спектра "Promax MC - 377" и логопериодической антенны. В качестве рассматриваемого ВВЭО был выбран силовой автотрансформатор высоковольтной подстанции (рис. 1). Для модели AT (рис. 6) сформированы диаграммы распределения ЭМП для вертикальной и горизонтальной поляризации сигналов в полосе частот от 45 МГц до 460 МГц. Нижняя граница по частоте соответствовала нижнему пределу измерений анализатора спектра. Частотный диапазон от 45 МГц до 100 МГц используется для изучения характеристик коронных и поверхностных ЧР. Верхняя граница частотного диапазона определена из экспериментальных исследований. Было установлено, что анализатор спектра "Promax MC - 377" в диапазоне от 460 МГц до 2 ГГц обладает недостаточной чувствительностью, чтобы регистрировать ЭМП от ЧР, возникающих в изоляции силового AT. Было обработано около 400 диаграмм распределения ЭМП для исследуемого диапазона частот. Анализ топологии электромагнитного поля AT показал, что с ростом частоты увеличивается число точек минимальной и максимальной интенсивности ЭМП, направления максимумов и минимумов распределения электромагнитного поля претерпевают сильное изменение. По этой причине исследуемый диапазон частот от 45 МГц до 460 МГц был разбит на поддиапазоны, в которых ЭМП имеет примерно одинаковое распределение. Например, в диапазоне от 325 МГц до 345 МГц диаграмма распределения ЭМП примерно одинакова и для разных типов поляризации в горизонтальной плоскости имеет вид, представленный на рис. 7.

а)

б)

Рис. 7. Относительнее распределение ЭМП автотрансформатора в горизонтальной плоскости в диапазоне частот от 325 МГц до 345 МГц: а) горизонтальная поляризация, б) вертикальная поляризация

При проведении экспериментальных исследований регистрация спектральных плотностей мощности ЭМП проводилась в секторе от 130° до 230° с

14

шагом 10°. Направление на автотрансформатор со 180 градусов соответствует рис. 1. Измерения в других секторах проводить затруднительно ввиду расположения возле исследуемого AT защитных ограждений, вспомогательного электроэнергетического оборудования, а также соседних автотрансформаторов. Например, на рис. 8 представлены спектральные плотности мощности ЭМП, измеренные горизонтально-поляризованной антенной с направления 210° в диапазонах частот 45-170 МГц и 160-460 МГц, полученные с осреднением 60 с.

В каждом поддиапазоне исследуемого диапазона частот от 45 МГц до 460

Рис. 8. Спектральные плотности мощности ЭМП ЛТ при горизонтальной поляризации сигналов измеренные с направления 210° в диапазонах частот: а) 45-170 МГц, б) 160-460 МГц

МГц для горизонтальной и вертикальной поляризации сигналов было произведено сравнение положения минимумов и максимумов рассчитанных диаграмм распределения электромагнитного поля и уровней интенсивности ЭМП при

экспериментальных исследованиях. Для примера на рис. 9 показано сравнение экспериментальных и расчетных результатов для частоты 338 МГц.

Данные, полученные в ходе расчетных и экспериментальных исследований, показали:

1. В диапазоне частот от 45 МГц до 100 МГц расчетные максимумы и минимумы диаграммы распределения ЭМП модели при горизонтальной поляризации сигналов имеют отклонение в пределах 20°, при вертикальной поляризации сигналов -10°.

2. В диапазоне частот от 100 МГц до 460 МГц отклонение максимумов и

минимумов диаграмм топологии модели и распределения ЭМП реального автотрансформатора не превышает 10°.

Четвертая глава посвящена принципам формирования информационно-измерительного комплекса на базе приборов, осуществляющих измерение

Рис. 9.Сравнение расчетной и измеренной диаграмм распределения ЭМП в горизонтальной плоскости при горизонтальной поляризации сигнала для частоты 338 МГц: - расчетная диаграмма распределения ЭМП

• • • • измереннаядиаграмма распределения ЭМП

спектральных плотностей мощности (СПМ) электромагнитных полей ВВЭО. Задачами, выдвигаемыми перед комплексом для регистрации ЭМП от частичных разрядов, возникающих в изоляции высоковольтного оборудования, и обработки полученных данных с целью оценки технического состояния исследуемого объекта, на данном этапе исследований являются:

1. Измерение СПМ электромагнитных полей на территории высоковольтной

подстанции для составления картины общей ЭМО.

2. Измерение СПМ электромагнитных полей отдельных единиц ВВЭО.

3. Измерение СПМ электромагнитных полей элементов конструкций ВВЭО.

4. Обработка результатов измерений и формирование базы данных.

В работе были сформированы основные технические требования, предъявляемые к ИИК, который способен обеспечить решение поставленных задач по контролю текущего состояния ВВЭО.

Рабочий диапазон частот. В главе 1 проведен анализ источников ЭМП, возникающих в ВВЭО, и сделан вывод, что надежная регистрация сигналов от частичных разрядов во внутренней изоляции при помощи электромагнитного метода возможна при частотах свыше 100 МГц. Верхняя граница частотного диапазона ЭМП от таких частичных разрядов детально не определена. Однако эксперименты, проведенные в Электротехнологическом научно-исследовательском институте (Республика Корея) показали, что электромагнитные поля от частичных разрядов во внутренней изоляции были зафиксированы на частотах до 2 ГГЦ. Поэтому диапазон частот от 100 МГц до 2 ГГц является достаточно информативным с точки зрения оценки технического состояния ВВЭО по излучаемым ЭМП. Вопрос о целесообразности регистрации сигналов от частичных разрядов в более высоком диапазоне частот требует дальнейших исследований.

Чувствительность. Требование по чувствительности, предъявляемое к ИИК, было сформировано на основе экспериментальных исследований на действующем оборудовании и результатов экспериментов, проводимых в Электротехнологическом научно-исследовательском институте. Проведенные эксперименты показали, что информационно-измерительные комплексы с чувствительностью не хуже -160 дБВт/Гц вполне могут использоваться для регистрации ЭМП от ЧР, возникающих в изоляции силовых АТ в диапазоне частот от 100 МГц до 460 МГц. В диапазоне частот от 460 МГц до 2 ГГЦ для регистрации ЧР во внутренней изоляции необходимо использовать ИИК с чувствительностью, пересчитанной на 1 Гц полосы анализа, не хуже -170 дБВт/Гц.

Динамический диапазон уровней измеряемых излучений. Проведенный анализ спектральной плотности мощности ЭМП высоковольтного оборудования показал, что в диапазоне частот от 100 МГц до 2 ГГц уровень сигналов максимальной интенсивности не превышает значения -120 дБВт/Гц. Следовательно, требуемый динамический диапазон уровней входных сигналов информационно-измерительных комплексов должен быть не менее 50 дБ.

Абсолютная погрешность измерений. Излучение электромагнитных полей высоковольтного электроэнергетического оборудования представляет собой периодический квазигармонический процесс. Абсолютная погрешность

16

измерения спектральной плотности мощности квазигармонического процесса в типовых измерителях электромагнитных излучений частотного диапазона 0,1-10 ГГц составляет величины ± (0,5 + 1,5) дБ/Гц и при интенсивностях излучений, на 3 дБ превосходящих чувствительность измерений, соответствует нижнему пределу ± 0,5 дБ/Гц. Исходя из этого, можно считать допустимой для нашего измерителя абсолютную погрешность измерения равную ± 0,5 дБ/Гц.

Скорость панорамного обзора по частоте. Такой параметр, как скорость панорамного обзора, в рассматриваемом случае имеет второстепенное значение, так как для принятия решений операторам отводится достаточно большой промежуток времени (в пределах от нескольких часов до нескольких суток). Этот параметр влияет лишь на загрузку оператора и оборудования.

Разрешающая способность по частоте. Разрешающая способность по частоте определяется полосой частот анализа приемника и зависит от неравномерности спектра. Поскольку при экспериментах наблюдаются пики излучений, имеющие ширину полосы около 1 МГц, то приемлемой для измерений можно считать разрешающую способность ИИК по частоте не хуже 0,2 МГц.

Типовой комплекс для исследования энергетических спектров электромагнитных полей от частичных разрядов, возникающих во внутренней изоляции ВВЭО, в своем составе содержит набор приемных антенн и устройство их коммутации, линии связи, измерительное оборудование, оборудование управления, сбора и обработки информации.

Приемные антенны предназначены для регистрации электромагнитных полей ВВЭО. Набор приемных антенн ИИК включает в себя направленные и ненаправленные измерительные антенны, перекрывающие весь исследуемый диапазон частот. Ненаправленные антенны служат для оценки уровня общей "помеховой" обстановки на исследуемой подстанции. Направленные антенны необходимы для определения пространственной локализации источника ЭМП. Направленные измерительные антенны должны иметь большой коэффициент усиления (не менее 10 дБ) и острую диаграмму направленности: ширина диаграммы на частотах менее 1 ГГц не более 60 градусов, на частотах от 1 ГГц до 2 ГГц не более 30 градусов, и малый уровень заднего и боковых лепестков (подавление не менее 10 дБ). Исходя из этих требований, анализ существующих на сегодняшний день направленных антенн показал, что диапазон со 100 МГц до 2 ГТц необходимо разбить на 2 поддиапазона: от 100 МГц до 1 ГГц и от 1 ГГц до 2 ГГЦ. В первом поддиапазоне целесообразно использовать логопериодические антенны, во втором - параболические.

Устройство коммутации осуществляет переключение антенн в зависимости от выбранного диапазона частот и свойств исследуемого ВВЭО.

Линии связи служат для осуществления электрических связей между устройствами комплекса.

Измерительное оборудование предназначено для преобразования и представления принятого антенной сигнала в удобной для дальнейшей обработки форме. Для анализа ЭМП по спектральной плотности мощности излучения в качестве измерительного оборудования могут использоваться анализаторы

спектра и сканирующие приемники. Однако проведенный анализ показал, что на начальных этапах исследований применение сканирующих приемников нецелесообразно. Это связано с тем, что электромагнитное излучение от ВВЭО представляет собой периодический квазигармонический процесс, промодули-рованный колебаниями низкой частоты. Причем модулирующие низкочастотные колебания могут иметь период нескольких десятков секунд, что невозможно регистрировать с помощью сканирующего приемника. Дополнительно в состав измерительного оборудования входят измерители влажности, давления, температуры. Информация от них не относится к диагностируемому оборудованию, но может оказаться важной для последующего анализа.

Оборудование для управления, сбора и обработки информации представляет собой персональный компьютер со специально разработанным программным обеспечением.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В работе показаны основные преимущества метода оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования на основе анализа его ЭМП. Данный метод позволяет проводить диагностику при нулевой и отрицательной температуре, когда применение других методов затруднительно, не предусматривает подключение к оборудованию измерительных преобразователей и не приводит к снижению надежности его работы.

2. Предложено рассматривать высоковольтные вводы силового автотрансформатора в виде вибраторных антенн. Выполнен расчет пространственного распределения высокочастотного электромагнитного поля ЛТ с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Для силового автотрансформатора определена граница между дальней и ближней зонами излучений, учитываемая при проведении экспериментальных исследований.

3. Впервые построена модель силового автотрансформатора как источника высокочастотного электромагнитного поля, учитывающая расположение вводов, заземленных элементов конструкции и электрофизические свойства материалов. С помощью модели получены топологические карты электромагнитного поля, с использованием которых проводилась диагностика ЛТ.

4. Проведены экспериментальные исследования распределения высокочастотного ЭМП автотрансформатора. Результаты измерения достаточно хорошо совпадают с данными компьютерного моделирования топологии ЭМП.

5. Разработана методика измерения диагностической ЭМО на высоковольтной подстанции для оценки технического состояния электроэнергетического оборудования, находящегося под рабочим напряжением. Предложенная методика использовалась при решении практических задач - диагностики силовых ЛТ высоковольтных подстанциях "Дальневосточная" и "Угольная".

6. Сформированы основные технические требования, предъявляемые к информационно-измерительным комплексам для регистрации и анализа энергетических спектров ЭМП от частичных разрядов, возникающих во внутренней изоляции высоковольтного электроэнергетического оборудования.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях

1. Белушкин М. Ю., Клоков В. В., Силин Н. В. Излучающие свойства элементов конструкции трансформаторов // Молодежь и научно-технический прогресс. Материалы региональной научно-технической конференции. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002. Ч. 1. С. 343-344.

2. Белушкин М. Ю, Клоков В. В., Силин Н. В. Выбор антенны для регистрации электромагнитного излучения от высоковольтного оборудования // Энергетика: управление, качество и эффективность исследование энергоресурсов: Сборник трудов третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Благовещенск: Изд-во АГУ, 2003. Т. 1. С. 452-454.

3. Белушкин М. Ю., Клоков В. В., Силин Н. В., Катанаев В. А. Высоковольтный силовой трансформатор как источник собственных электромагнитных излучений // Сборник научных докладов V международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. С. 55-57.

4. Belushkin M. Yu., Katanaev V. А То a question about measurement of electromagnetic radiations near the power transformers // Materials of the fifth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries, Vladivostok, Russia, Far-Eastern State Technical University, 2003. V. II. P.32-34

5. Катанаев В. А., Белушкин М. Ю., Клоков В. В. Применение программы моделирования антенн MMANA для анализа электромагнитного излучения от высоковольтного оборудования // Наука делает мир лучшим. Региональная научно-техническая конференция, Владивосток: Изд-во МГУ, 2003. С. 98-101

6. BelushkinМ. Yu., Klokov V. V., SilinN. V., Katanaev V.A., PopovichA. B. Estimation of electromagnetic environment near the high-voltage power autotransformers // Progress in Electromagnetics Research Symposium, Pisa, Italy, 2004. P. 839-842.

7. Белушкин М. Ю., Катанаев В. А. Информационно-измерительный комплекс для исследования электромагнитного излучения от высоковольтного электроэнергетического оборудования // Современные техника и технологии СТГ2004. X Юбилейная Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 2004. С. 11-13.

8. SilinN. V., PopovichA. В., BelushkinM. Yu., Katanaev V. A. Experience ofthe general estimation of a power transformers technical condition on the basis of own electromagnetic radiation spectrum analysis // Euro Electromagnetics 2004, Magdeburg, Germany, 2004. P. 109-111.

Личный вклад М.Ю. Белушкина в перечисленных выше публикациях заключается в участии в содержательной постановке задач, подготовке модельных примеров, компьютерном моделировании, а также в непосредственном участии в натурных экспериментах, анализе и обработке их результатов.

»24 4 70

Белушкин Михаил Юрьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уч. изд. л i Формат 60 х 84/16 Тираж 100 экз._Заказ /Л/_

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г.И. Невельского 690059 г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

378

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 Проблемы и методы контроля состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования в рабочем режиме

1.1 Современное состояние диагностики высоковольтного электроэнергетического оборудования.

1.2 Методы регистрации сигналов от частичных разрядов в изоляции высоковольтного электроэнергетического оборудования.

1.3 Физические поля высоковольтного электроэнергетического / оборудования и их связь с дефектами.

1.4 Источники электромагнитных полей (коронные разряды, ф поверхностные частичные разряды, частичные разряды во внутренней изоляции).

1.5 Основные проблемы, возникающие при регистрации сигналов от частичных разрядов с помощью электромагнитного измерительного преобразователя.

1.6 Преимущества системы контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования на основе измерения и анализа энергетических спектров его электромагнитных полей.

2 Излучающие свойства конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования.

2.1 Основные элементы конструкции силового ф автотрансформатора. Места расположения источников электромагнитных полей.

2.2 Расчет распределения электромагнитного поля силового автотрансформатора.

2.3 Программный продукт "ММАЫА" и его возможности.

2.4 Модель силового автотрансформатора в программном продукте "ММАЫА".

2.5 Оценка границы между ближней и дальней зоной для излучающих элементов конструкции силового автотрансформатора.

3 Разработка методики измерения диагностической электромагнитной обстановки на высоковольтной подстанции.

3.1 Общая и диагностическая электромагнитные обстановки • • • •

3.2 Источники электромагнитных возмущений на высоковольтной подстанции, влияющие на формирование общей электромагнитной обстановки.

3.3 Виды селекции, применяемые при регистрации сигналов от частичных разрядов с помощью электромагнитного измерительного преобразователя.

3.4 Методика измерения диагностической электромагнитной обстановки на высоковольтной подстанции.

3.5 Пример определения диагностической электромагнитной обстановки для силового автотрансформатора высоковольтной подстанции.

3.6 Результаты экспериментального исследования электромагнитного поля силового автотрансформатора.

4 Информационно-измерительный комплекс для исследования электромагнитных полей от частичных разрядов.

4.1 Назначение и задачи информационно-измерительного комплекса.

4.2 Основные технические требования, предъявляемые к информационно-измерительному комплексу.

4.3 Структурная схема и состав информационно-измерительного комплекса.

Основные результаты диссертации.

Список используемых источников.

В России пик прироста мощности высоковольтного электроэнергетического оборудования приходился на первую половину восьмидесятых годов двадцатого века. Очевидно, что через несколько лет потребности электроэнергетики будет обеспечивать в подавляющем большинстве силовое оборудование, отслужившее нормативный срок службы (25-30 лет). Возможности по замене такого дорогостоящего оборудования весьма ограничены, и возникает проблема распределения необходимых инвестиций на достаточно продолжительный период времени. «

В современной электроэнергетической отрасли большое внимание уделяется разработке долговременной стратегии по обновлению и продлению срока службы высоковольтного электроэнергетического оборудования, входящего в состав электротехнических комплексов и систем промышленного, транспортного и специального назначения. Внедрение такой программы требует разработки новых методов и технологий по оценке технического состояния и выявления тех единиц оборудования, продолжение работы которых связано с наибольшим риском [1].

Актуальность исследований, связанных с диагностикой высоковольтного электроэнергетического оборудования, обусловлена следующими основными причинами. Во-первых, увеличение единичных мощностей силового оборудования приводит к увеличению объема разрушений при отказе. Во-вторых, развитие электротехнических комплексов и систем приводит к возрастанию количества оборудования, а, следовательно, и к увеличению количества аварий. В-третьих, рост стоимости высоковольтного электроэнергетического оборудования приводит к необходимости наиболее полного использования его ресурса. В-четвертых, рост разветвлённое™ распределительных цепей и сложности управления ими требует заблаговременного предупреждения о возможных отказах оборудования. Эти и другие причины ставят проблемы диагностики ВВЭО на одно из первых мест в системе обслуживания [2].

Традиционно оборудование в электроэнергетике обслуживалось по регламенту. Однако наиболее экономный способ обслуживания — по фактическому техническому состоянию и в энергетике проявляется высокая активность в изыскании и применении современных методов диагностики оборудования. Оценка текущего состояния высоковольтных установок позволяет значительно снизить затраты на ремонт и повысить эффективность его проведения, оценить текущее состояние электрооборудования с определением запаса его работоспособности, что особенно актуально для оборудования, отработавшего 15 лет и более. Опыт эксплуатации показывает, что при соблюдении нормативных нагрузочных режимов, своевременном проведении ремонтов и качественном их выполнении срок службы ВВЭО может быть увеличен [3].

В вопросах исследования работоспособности и качества функционирования высоковольтного электроэнергетического оборудования в составе электротехнических комплексов и систем есть свои специфические особенности. Поскольку циклы планирования вывода в ремонт или замены оборудования занимают месяцы, то акценты сдвигаются в сторону ранней диагностики и предупреждения отказов оборудования, находящегося в непрерывной эксплуатации под рабочим напряжением [4].

Техника контроля и диагностики электроэнергетического оборудования в рабочих режимах, получившая название "ON-LINE Мониторинга", стала реальностью, которая уверенно оттесняет и заменяет традиционные приемы эксплуатации и обслуживания оборудования [5].

Разработаны и активно внедряются способы теплового, оптического и акустического контроля под рабочим напряжением. Измерение интенсивности и анализ тепловых, световых и акустических полей с применением достижений вычислительной техники позволяет судить о наличии дефектов, а иногда и мест их расположения. Дистанционные методы контроля оборудования, основанные на регистрации этих полей предусматривают разработку специальной аппаратуры, а также методик, позволяющих создавать "диагностические карты" оборудования, которые существенно облегчают решение задачи определения характера и мест повреждений.

В рабочем режиме высоковольтное электроэнергетическое оборудование является источником электромагнитных полей, которые существенно влияют на работу систем автоматики и радиосвязи. Новейшие разработки в области измерительной техники позволяют формировать информационно-измерительные комплексы для исследования электромагнитных полей от сравнительно слабых источников, располагающихся в отдельных элементах конструкции высоковольтного оборудования. Динамика развития интенсивности сигналов на отдельных частотах, энергия излучения в определенных диапазонах частот, характерные изменения формы сигналов с ростом числа источников электромагнитных полей, и другие признаки могут стать той информационной базой, по которой можно определить характер и место расположения источников, а в дальнейшем осуществлять диагностику технического состояния высоковольтных установок [6].

Одним из перспективных методов оценки технического состояния в рабочих режимах является исследование электромагнитных полей, излучаемых высоковольтным электроэнергетическим оборудованием. Этот метод обеспечивает дистанционный анализ исследуемого объекта в различных режимах его эксплуатации и является принципиально новым подходом к контролю состояния ВВЭО станций и подстанций, позволяющий в короткие сроки и при малых эксплуатационных затратах:

- повысить надежность электроснабжения;

- предотвратить выход из строя дорогостоящего оборудования;

- увеличить время между ревизиями;

- сократить число измерений на оборудовании, требующих его вывода из рабочего режима.

Подробные исследования электромагнитных полей высоковольтного электроэнергетического оборудования в контексте проблемы его технической диагностики до недавнего времени не производилось ни в России, ни за рубежом. Первые шаги в этом направлении были сделаны на Дальнем Востоке в лаборатории "Электрофизика и электроэнергетика" Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, кафедре "Теоретическая и общая электротехника" Дальневосточного государственного технического университета, кафедре "Радиотехническое вооружение" Тихоокеанского военно-морского института, кафедре "Радиоэлектроника и радиосвязь" Морского государственного университета.

Результаты исследований отображены в диссертациях В. И. Сигиды "Электромагнитные поля электроэнергетического оборудования в задачах диагностирования" и Н. Н. Петрунько "Анализ процессов образования и распространения электромагнитных излучений высоковольтного электроэнергетического оборудования", а также в статьях авторов из вышеназванных учреждений.

Целью работы является моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетического оборудования для диагностирования его технического состояния.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть проблематику диагностирования силового оборудования с целью определения роли и места методики оценки технического состояния ВВЭО на основе анализа его электромагнитных полей. Проанализировать источники ЭМП. Изучить современные методы » регистрации сигналов от частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. Рассмотреть проблемы, возникающие при регистрации частичных разрядов, с помощью электромагнитного измерительного преобразователя.

2. Провести анализ излучающих свойств конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования на примере силового автотрансформатора. Выполнить расчет пространственного распределения электромагнитного поля автотрансформатора с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Построить модель силового автотрансформатора как источника ЭМП. Определить границу между ближней и дальней зонами для исследуемого автотрансформатора.

3. Проанализировать источники электромагнитных возмущений на высоковольтной подстанции, влияющие на формирование общей электромагнитной обстановки. Разработать и экспериментально опробовать методику измерения диагностической электромагнитной обстановки.

4. Сформировать основные технические требования, предъявляемые к информационно-измерительным комплексам для регистрации и анализа энергетических спектров электромагнитных полей от частичных разрядов, возникающих во внутренней изоляции высоковольтного электроэнергетического оборудования. Определить состав информационно-измерительного комплекса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Итогом теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных полей электроэнергетического оборудования высоковольтных подстанций для диагностирования его технического состояния, являются следующие результаты:

1. В работе показаны основные преимущества метода оценки технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования на основе анализа его электромагнитных полей. Данный метод позволяет проводить диагностику не только при положительной, но и при нулевой и отрицательной температуре, когда применение других методов затруднительно, не предусматривает подключение к оборудованию измерительных преобразователей и не приводит к снижению надежности его работы.

2. Предложено рассматривать высоковольтные вводы силового автотрансформатора в виде вибраторных антенн. Выполнен расчет пространственного распределения высокочастотного электромагнитного поля автотрансформатора с учетом взаимного переизлучения его высоковольтных вводов. Для силового автотрансформатора определена граница между дальней и ближней зонами излучений, учитываемая при проведении экспериментальных исследований.

3. Впервые построена модель силового автотрансформатора как источника высокочастотного электромагнитного поля, учитывающая расположение вводов, заземленных элементов конструкции и электрофизические свойства материалов. С помощью модели получены "топологические карты" электромагнитного поля, с использованием которых проводилась диагностика автотрансформаторов. измерения достаточно хорошо совпадают с данными компьютерного моделирования топологии электромагнитного поля.

5. Разработана методика измерения диагностической электромагнитной обстановки на высоковольтной подстанции для оценки технического состояния электроэнергетического оборудования, находящегося под рабочим напряжением. Предложенная методика использовалась при решении практических задач — диагностики силовых автотрансформаторов на высоковольтных подстанциях "Дальневосточная" и "Угольная".

6. Сформированы основные технические требования, предъявляемые к информационно-измерительным комплексам для регистрации и анализа энергетических спектров, электромагнитных полей от частичных разрядов, возникающих во внутренней изоляции высоковольтного электроэнергетического оборудования.

1. Монастырский А. Е., Калачёва Н.И., Таджибаев А. И., Аничиков Д. А. Методы и средства оценки состояния маслонаполненного оборудования. Учебное пособие. С - Петербург.: 1996. - 72 с.

2. Соколов В. В. Актуальные задачи развития методов и средств диагностики трансформаторного оборудования под напряжением. Известия академии наук. Энергетика № 1, 1997 г.

3. Белушкин М. Ю., Клоков В. В., Силин Н. В. Излучающие свойства элементов конструкции трансформаторов // Молодежь и научно-технический прогресс. Материалы региональной научно-технической конференции. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002. Ч. 1. С. 343-344.

4. Кишит Н.В., Кац М.А., Загоскин Д.Д., Вяткин Ю.В Диагностирование основного высоковольтного оборудования подстанций // Научно-техническая конф. "Вологдинские чтения": Тез. докл. Владивосток: Изд-во ДВГТУ. Сер. Электротехника, 1998. С. 4-6.

5. Бутырин П. А., Алпатов М. Е. Непрерывная диагностика электромагнитных параметров трансформаторов под нагрузкой // Там же. С. 201-204.

6. Константинов А. Г, Осотов В. Н., Хайбулин Ю. Г., Осотов А. В. Методы оценки состояния силового электротехнического оборудования под рабочим напряжением // Там же. С. 74-75.

7. Славинский А. 3., Кокуркин Б. П., Антонов В. И. Работы ЗАО "Мосизолятор" по созданию высоковольтных вводов и их диагностика в процессе эксплуатации // Там же. С. 78-79.

8. Овсянников А. Г., Лазарев Е. А., Живодерников С. В. Система контроля изоляции высоковольтных вводов под рабочим напряжением // Там же. С. 361-369.

9. Гречко О. H., Калачева H. И. Современные тенденции в развитии системы контроля и диагностики состояния трансформаторов 110 — 750 кВ. Энергетика, № 5, 1996 г.

10. BimcoH А., Холл Л., Лапворт Дж. Измерение частичных разрядов в силовых трансформаторах под напряжениехМ. Матер. Международного семинара "Повышение надежности и эффективности контроля трансформаторов в эксплуатации". Докл. 3.4. Запорожье, 1996.

11. Голенко О. В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Исследование сигналов частичных разрядов в силовом трансформаторном оборудовании и разработка метода локации их источников. Новосибирск, 2003 .-20 с.

12. Harley J. PD Test Experience and TP AS 400. Proc. Of the Tenth TP AS User's Group. July. 1995.

13. Лапонов С. Н., Шигиминцев В. В. Тепловизионный контроль и диагностика электрооборудования. Промышленная энергетика № 11, 2000, с. 15-17.

14. Александров Г. Н., Ершевич В. В., Крылов С. В. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения. Л: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1983.-368 е., ил.

15. Мельников Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330 — 500 кВ. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1974.-472 е., ил.

16. Журавлев Э. Н. Радиопомехи от коронирующих линий электропередачи, М., "Энергия", 1971. — 200 е., ил.

17. Кучинский Г. С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. -Л.: Энергия, 1979.-360 с.

18. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: ГИФМЛ, 1958. - 907 с.

19. Сигида В. И. Электромагнитные поля электроэнергетического оборудования в задачах диагностирования // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владивосток: Изд-во ТОВМИ, 2000.-182 с.

20. Jaegu Choi, Kwanghwa Kim, Iksoo Kim. A study on the development of a novel coupler for gis PD detection. IF AC Symposium on Power Plants and Power System Control 2003, Seoul, Korea.

21. Электротехническая служба новосибирской специализированной производственной базы базового предприятия "Электросетьсервис".

22. Протокол обследования технического состояния автотрансформаторов групп АТ-1 ПС "Дальневосточная 500" МЭС Востока. Новосибирск, 2002. - 31 с.

23. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец вузов. М.: Высш. Шк., 1988. — 432 е., ил.

24. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975. — 523 е., ил.

25. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1981. - 280 е., ил.

26. Фрадин А. 3., Рыжков Е. В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. Изд. 2-е дополненное. — М., Связь, 1972. — 352 с.

27. Вершков М. В. Судовые антенны. Л., Судостроение, 1972. -424 с.

28. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе ММАЫА. М.: ИП РадиоСофт, Журнал "Радио". 2002 - 80 е., ил.

29. Belnshkin М. Yn., Klokov V. V., Silin N. К, Katanaev V. A., Popovich А. В. Estimation of electromagnetic environment near the high-voltage power autotransformers // Progress in Electromagnetics Research Symposium, Pizza, Italy, 2004. P. 60-63.

30. Уайт Д. (перевод с английского Князев А.Д.) Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. — М.: Советское радио, 1979. 464 с.

31. Виноградов E. M,, Винокуров В. И., Харченко И. П. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Л.: Судостроение, 1986. — 264 с.

32. Guide on EMC in Power Plants and Substations. CIGRE Publ. 124, 1997.

33. Матвеев M. В. Основные виды помех, опасной для электронной аппаратуры, и их характеристики. Электротехника, защита от помех № 3, 2000.

34. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения России. М.: "Российская ассоциация общественного здоровья", 1997.

35. РД 34.20.116 93 «Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех. М.: РАО «ЕЭС России».

36. Измеритель электромагнитных излучений ПЗ-40. Техническое описание, 1989.-89 с.

37. Преображенская О.В., Петропавловский Ю.Б. Требуемые параметры базы данных о техническом состоянии энергетического оборудования// Сборник трудов ДВГТУ № 125. 2000.

38. Ашихмин А. В., Рембовский А. М. Выявление технических каналов утечки информации: методы, структура и характеристики средств. Специальная техника № 1, 2002. С. 42-48.

39. Файбисович Д. Л. Некоторые вопросы развития электрических сетей России. Энергетик № 3, 2002.

40. H.B. Киншт, Г.Н. Герасимова, M.A. Кац. Диагностика электрических цепей // М.: Энергоатомиздат, 1983. — 192 с.

41. Киншт Н.В., Кац М.А., Рагулин П.Г., Вайнман ИМ. Диагностика линейных электрических цепей: Учеб. пособие. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1987.-232 с.

42. Киншт Н.В., Кац М.А. Диагностика точечных источников электромагнитных шумов // Электричество, № 4, 1999. — с. 40-42.

43. Киншт Н.В., Преображенская О.В., Петрунъко Н.Н. Анализ свойств собственного ЭМИ высоковольтного оборудования // Там же. С. 133-134.

44. Киншт Н.В., Преображенская О.В., Петрунъко H.H. Логический анализ электрической подстанции как объекта диагностирования // Известия АН, сер. Энергетика. №2, 2001. С. 57-67.

45. Киншт Н.В., Кац М.А., Петрунъко H.H. Научные исследования лаборатории электрофизики и электроэнергетики ИАПУ ДВО РАН // Сборник научных статей. Владивосток ИАПУ ДВО РАН. 2001. С. 134-143.

46. Киншт Н.В., Преображенская О.В., Петрунъко H.H. Использование матрицы признаков при анализе источников ЭМИ // Сборник трудов ДВГТУ № 125.2000.

47. Преображенская О.В., Петрунъко H.H. Подготовка данных для анализа свойств ЭМИ ВВ оборудования // Сборник трудов ДВГТУ № 125. 2000.

48. Киншт Н.В., Петрунъко H.H. Классификационные признаки при анализе спектра частичных разрядов // Сборник материалов научной конференции ДВГТУ "Вологдинские чтения". Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001.

49. Преображенская О.В., Петрунъко H.H. Вопросы мониторинга собственных электромагнитных излучений // Там же. С. 105-111.

50. Kinsht N. V., Silin N. V., Preobrazhenskaya О. V., Petrun'ko N. N., Popovich А. B. Diagnostics of high-voltage equipment. Logical aspects // Pacific Science Review, 2001. V. 3. P. 5-8.

51. Поляков В. С. Анализ требований норм испытаний по диагностике маслонаполненного оборудования // Там же. С. 195-200.

52. Поляков В. С. Диагностика высоковольтных вводов и трансформаторов тока под рабочим напряжением // Там же. С. 272-287.

53. Малое А. В., Снетков А. Ю. Методические проблемы эксплуатационной диагностики маслонаполненного оборудования // Там же. С. 289-291.

54. Благодырев В. И., Макаров А. А, Никитин А. В., Пильщиков В. Е., Цалко В. Ф. Измерение частичных разрядов при выявлении дефектов и контроле качества ремонта // Там же. С. 311-320.

55. Овсянников А. Г. Проблемы оценки состояния изоляции оборудования при эксплуатационном контроле' интенсивности частичных разрядов // Там же. С. 321-328.

56. Львов Ю. И., Львов М. Ю. Методологические аспекты диагностики мощных силовых трансформаторов // Там же. С. 5-10.

57. Маяков В. П., Соколов В. В. Методы диагностики состояния трансформаторного оборудования // Там же. С. 13-23.

58. Монастырский А. Е., Пильщиков В. Е. Методические основы измерения характеристик частичных разрядов в мощных силовых трансформаторах // Там же. С. 31-34.

59. Голенко О. В. Спектральный анализ электрических сигналов при регистрации ЧР в силовых автотрансформаторах // Там же. С. 35-37.

60. Монастырский А. Е., Пильщиков В. Е. Автоматизированная система непрерывного контроля состояния силовых трансформаторов СКИТ // Там же. С. 370-374.

61. Тгшашова Л. В., Шлейфман И. Л. Анализ опыта эксплуатации выключателей в сетях 110-750 кВ. Рекомендации по применению выключателей при техническом перевооружении // VI Симпозиум "Электротехника 2010": Тез. докл. Т. 2. С. 151-152.

62. Хубларов Н. Н. Основные параметры и общее техническое состояние парка автотрансформаторов 220-750 кВ в сетях РФ // VI Симпозиум "Электротехника 2010": Тез. докл. Т. 2. С. 165-169.

63. Кужеков С. Л., Мусаев М. М, Галикян Г. С., Долгих В. В. Непрерывный контроль изоляции маслонаполненных трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов под рабочим напряжением // Там же. С. 219-222.

64. Сулъдин Н. В. Неотложная проблема электроэнергетики // Там же. С. 223-225.

65. Лоханин А. К., Соколов В. В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного высоковольтного оборудования после расчетного срока службы // Там же. С. 226-230.

66. Дьяков А. Ф. Электроэнергетика России на рубеже XXI века // Там же. С. 3-10.перевооружение подстанций межсистемных электропередач // Там же. С. 22-25.

67. Белкин Г. С., Вариводов В. Н. Состояние и перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения // Там же. С. 49-50.

68. Дикой В. П., Коробков Н. М., Овсянников А. Г. Диагностика оборудования электрических сетей РАО "ЕЭС РОССИИ" // Там же. С. 71-73.

69. Константинов А. Г., Осотов В. Н., Хайбулин Ю. Г., Осотов А. В. Методы оценки состояния силового электротехнического оборудования под рабочим напряжением // Там же. С. 74-75.

70. Славинский А. 3., Кокуркин Б. П., Антонов В. И. Работы ЗАО "Мосизолятор" по созданию высоковольтных вводов и их диагностика в процессе эксплуатации // Там же. С. 78-79.

71. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2003. Т. 1-3.

72. Гурин В. В., Соколов В. В., Кучера Б., Валета Л. Диагностика автотрансформатора в эксплуатации методом измерения и локации частичных разрядов// Электрические станции, № 10, 1993. С. 60-62.

73. Lemke Е., Strehl Т., Ruwurm D. Advanced diagnostic tools for on-site measurements of MV and HV Power cables // Workshop 2001, Alexandria, Virginia, Dec 3 & 4,2001.

74. Багиров M. А. и др. Воздействие электрических разрядов на полимерные диэлектрики / М. А. Багиров, В. П. Малин, С. А. Абасов. — Баку: Издательство ЭЛМ, 1975. 167 с.

75. Койков С. Н., Цикин А. Н. Электростарение твердых диэлектриков. — М.:Энергия, 1968.- 186 с.

76. James R. and others. Challenges for advanced diagnostic techniques faults undetectable by existing electrical methods.-Session CIGRE, rep. 15-306, Paris, August, 2000.

77. Schwabe R.J. and others On-line Diagnostics of Oil Paper Insulated Instrument Transformers.- Session CIGRE, rep. 12/33-03, Paris, August, 2000.

78. Austen A., Hackett W. Internal dischargesin dielectrics; their observations and analysis //Transactions A IEEE 1994. P. 298-310.

79. Александров Г. H., Иванов В. JI. Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 208 с.

80. Lemke Е., Schmiegel P. Fundamentals of the PD Probe measuring technique //High Volt Technologies, Inc. PD Workshop, 2000, Alexandria, Virginia.

81. Bolliger A., Lemke E. PD diagnostics — its history and future // Workshop 2001, Alexandria, Virginia, Dec 3 & 4, 2001.

82. Weissenberg W. Partial discharge measurement in HV joints: Brugg solutions // Workshop 2001, Alexandria, Virginia, Dec 3 & 4, 2001.

83. Koske B. Elze H. On-line measurement, diagnostic tools and monitoring strategy for generators and power transformers I I Workshop 2001, Alexandria, Virginia, Dec 3 & 4,2001.