Современный рынок средств измерений предлагает большой выбор средств контроля параметров ЧР (например, DIM-Loc - универсальный прибор оперативного контроля изоляции высоковольтного оборудования по частичным разрядам, PD-Analyzer-3 - прибор для регистрации и анализа частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования, R2200 - многоканальный переносной прибор регистрации и анализа сигналов частичных разрядов в изоляции и др.), но они предназначены для контроля узкого круга объектов, в основном трансформаторов и силовых кабелей и не позволяют проводить испытания изделий силовой электроники (мощных диодов, тиристоров, высоковольтных резисторов и т.д.) и современных металломатричных и полиматричных композиционных материалов.
Основная сложность данной проблемы заключается не в возможности разработать измерительное устройство параметров ЧР, современная база электроники и уровень IT технологий позволяют это сделать, а в способах достоверной оценки результатов диагностики дефектов и перспектив их развития по характеристикам ЧР в специфических объектах сложной конструкции, т.е. в инструменте оценки качества изделия.
Для разработки способа оценки качества изделия необходимо представлять физику процесса возникновения ЧР и проанализировать комплекс характеристик, которыми он описывается. В технике высоких напряжений под этим определением принято объединять электрические разряды различной природы, возникающие в высоковольтном оборудовании и обладающие определенными свойствами.
Частичный разряд –это электрический разряд малой мощности,который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, и не вызывает значительного изменения напряжения между ними. Длительность ЧР составляет единицы-десятки наносекунд.
Частичный разряд представляет собой локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика или пробой малых объёмов твердого или жидкого изолятора (диэлектрика).
Каждый разряд оказывает негативное воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения и повышенной температуры. Поскольку ЧР обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, с течением времени их разрушающее действие может нарастать. Это ведет к постепенному разложению материала диэлектрика, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и, в конце концов, к разрушению изолятора.
Возникновение ЧР всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим регистрация характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления той или иной изоляционной конструкции и выявить местные дефекты, которые практически невозможно определить обычными испытаниями высоким напряжением или измерениями каких-либо интегральных характеристик изоляции (тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и т.д.).
Частичные разряды образуются под действием высокой напряженности электрического поля в местах пониженной электрической прочности. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрофизическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.
Механизм возникновения ЧР сходен с механизмом возникновения искрового разряда в воздухе, который можно пояснить простейшей схемой, показанной на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема, моделирующая искровой разряд в газе
При замыкании высоковольтного источника E на внешнюю цепь, конденсатор начнет заряжаться со скоростью, определяемой постоянной времени RC -цепи. По мере роста заряда на обкладках увеличивается напряжение на электродах 1 и 2 разрядника. Напряжение будет расти до тех пор, пока не достигнет некоторого критического значения – пробивного напряжения, которое аналогично напряжению зажигания ЧР в диэлектрике.
Очевидно, что величина напряжения зажигания определяется геометрией электродов, видом и состоянием диэлектрика между ними, величиной межэлектродного промежутка.
При возникновении искрового разряда заряд на конденсаторе C уменьшается, и напряжение между электродами становиться меньше пробивного. Напряжение, при котором разряд прекращается, называют напряжением погасания ЧР. После этого процесс заряда конденсатора повторяется.
Таким образом, в схеме будет наблюдаться периодический процесс изменения заряда и напряжения на конденсаторе, сопровождающийся возникновением электрических разрядов в диэлектрике разрядника.
Если в изоляторе содержится элемент диэлектрика с пониженной электрической прочностью, то такой элемент принято называть включением.Газообразные включения в изоляции возникают из-за несовершенства технологии изготовления изделий (неполная пропитка, усадочные каверны) или образуются в процессе эксплуатации вследствие чрезмерно высоких механических воздействий (трещины, расслоения), местных разогревов (термическое разложение изоляции с выделением газа) и по другим причинам.
Изолятор с включением принято описывать с помощью эквивалентной схемы, показанной на рисунке 2 [3]. Конденсатор Cв представляет собой емкость газового включения. Последовательно включенный конденсатор Cд есть емкость твердой части изоляции, имеющей общие силовые линии с включением. Конденсатор Cа – емкость остальной части диэлектрика, лишенной включений.
Рисунок 2 - Эквивалентная схема при рассмотрении ЧР в диэлектрике:
– структурная схема изолятора с включением;
– схема замещения структурной схемы.
Диэлектрическая проницаемость твердой части изолятора значительно выше диэлектрической проницаемости газа, поэтому напряженность электрического поля в газовом включении превышает напряженность поля в остальном диэлектрике.
Критичным параметром является высота включения dв, так как её увеличение ведет к росту мощности ЧР и последующему пробою диэлектрика.
Возникновение ЧР произойдет тогда, когда напряжение на включении (емкость Cв) достигнет пробивного значения Uвз – напряжения зажигания разряда во включении.
При пробое напряжение на включении падает не до нуля, а до определенного значения Uвп – напряжения погасания разряда. Напряжение погасания при размерах газового включения или масляной пленки порядка 10-100 мкм меньше соответствующего пробивного напряжения и может колебаться в широких пределах.
Анализ структурной схемы и схемы замещения приводит к следующему соотношению между напряжением на электродах и напряжением зажигания ЧР [1, 3, 4]:
На рисунке 3 представлено развитие во времени ЧР при переменном напряжении.
Рисунок 3 - Развитие ЧР во времени
После погасания разряда напряжение на включении начинает нарастать от значения Uвп по кривой, соответствующей изменению приложенного напряжения, смещенной по вертикали на значение постоянной составляющей, возникшей в результате появления зарядов на поверхности включения (на емкости Cв). Когда напряжение на Cв достигнет значения Uвз, процесс повторяется. Таким образом, разряды в рассматриваемой области диэлектрика повторяются через промежутки времени, соответствующие изменению напряжения на
∆U = Uвз −Uвп
Обычно, характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируются с размерами дефектов в диэлектрике, т.е. позволяют определять степень дефектности изоляционной конструкции. Для ЧР существуют измеряемые и расчетные характеристики.
Согласно ГОСТ 20074-83 и ГОСТ Р 55191-2012 установлены следующие характеристики ЧР:
- частичный разряд (ЧР) (partial discharge (PD): Электрический разряд, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, находящимися под разными потенциалами.
- импульс частичного разряда (импульс ЧР) (partial discharge pulse (PD pulse): Импульс тока или напряжения, возникающий под действием ЧР. Величина импульса измеряется с помощью специальных устройств (устройств присоединения), которые вводятся для этой цели в испытательную схему.
- кажущийся заряд q(apparent charge q): Абсолютное значение такого заряда, мгновенное введении, которого между электродами испытуемого объекта, установленного в испытательной схеме, могло бы дать такое же показание на измерительном приборе, как и сам импульс ЧР. Кажущийся заряд обычно выражается в кулонах (Кл).
Примечание - Кажущийся заряд не равен количественно значению заряда, локализованного в цепи разряда, значение которого невозможно измерить непосредственно.
- скорость повторения частичных разрядов n(pulse repetition rate n): Отношение общего количества импульсов ЧР, зарегистрированных в течение выбранного интервала времени, к продолжительности этого интервала.
- частота повторения импульсов частичных разрядов N(pulse repetition frequency N): Число импульсов ЧР в секунду при равномерно распределенных импульсах.
- цикл измерения ЧР Тс(Tref) (PD measurement cycle): Интервал времени с начала измерения и до окончания измерения ЧР nc, или – число периодов испытательного переменного напряжения в интервале времени измерения ЧР.
- фазовый угол φ или/и момент ti возникновения импульса ЧР (phase angle φi and time ti of occurrence of a PD pulse)
φi=360(ti/T),
где: ti - время, измеренное с момента прохождения положительного полупериода испытательного напряжения, предшествующего разряду, через нулевое значение, до момента возникновения импульса частичного разряда;
Т - длительность периода испытательного напряжения.
Фазовый угол выражается в градусах (°).
- средний ток частичного разряда qi(average discharge current ): Производная величина, являющаяся суммой абсолютных значений индивидуальных амплитуд кажущихся зарядов , в течение выбранного опорного интервала времени Tref, деленная на продолжительность этого интервала
Как правило, средний ток разряда выражается в кулонах в секунду (Кл/с) или в амперах (А).
- мощность разряда P(discharge power P): Производная величина, являющаяся суммой произведений кажущихся зарядов с амплитудой qi, на соответствующие мгновенные значения напряжения возникновения ЧР ui в течение интервала времени измерения ЧР Tc
где u1, u2 ... ui - значения испытательного напряжения (мгновенные значения) в моменты времени ti отдельно взятых значений разрядов кажущегося заряда qi. Необходимо учитывать знак этих отдельно взятых значений.
Мощность разряда обычно выражается в ваттах (Вт).
- энергия единичного ЧР (energy of single PD, W): Производная величина, являющаяся произведением мгновенного значения напряжения возникновения ЧР Ui на его кажущийся заряд qi
Wi=Ui×qi
Энергия единичного ЧР выражается в Джоулях (Дж).
Авторами был проведен сравнительный анализ методов измерений параметров ЧР, результаты которого приведены в таблице 1.
Таблица 1 - сравнительный анализ методов измерений параметров ЧР
Метод |
Достоинства |
Недостатки |
|
Неэлектрические методы |
Визуальный и оптический метод |
Применение прозрачных электродов (например, стекол с прозрачным проводящим слоем) позволяет регистрировать ЧР под электродом. Этот метод обладает высокой чувствительностью, возможностью определить место возникновения ЧР, хорошей помехозащищенностью. |
Регистрация ЧР внутри непрозрачных изоляционных конструкций таким методом невозможна. |
Акустический метод |
Преимущество этого метода – возможность регистрировать ЧР внутри непрозрачных объектов большой емкости. Точная локализация источника сигналов внутри объекта. Акустические датчики практически не подвержены внешним помехам на силовом оборудовании подстанций (естественно, исключая двигатели и генераторы) |
Низкая чувствительность зависящая от толщины и звукоизоляционных свойств диэлектрика. |
|
Химическое обнаружение |
Преимуществом данного метода является практически полная нечувствительность его к помехам |
Анализ химических изменений изоляционных сред проводят для маслосодержащего оборудования, контроль твердой изоляции традиционно производится путем осмотра, что, несомненно, является недоработкой существующего метода |
|
Электрические методы |
Регистрация частичных разрядов электрическими датчиками |
Наиболее чувствительными к сигналам ЧР являются электрические датчики, подключенные к высоковольтной шине контролируемого оборудования через конденсатор связи. |
Конденсатор связи имеет большие габариты и вес, |
Регистрация ЧР с помощью антенн |
Обеспечивает дистанционные измерения без подключения к объекту. Высокая степень направленности обеспечивающая локализацию источника сигналов с точностью до нескольких десятков сантиметров. Наиболее чувствительны к дефектам в наружных частях оборудования (таких как выводы и изоляторы). |
Сигналы от дефектов распространения внутри металлического бака сильно ослабевают |
|
Косвенные методы регистрации частичных разрядов |
Методы дают представление о напряжении возникновения ЧР. |
Данным методом происходит суммирование различных видов потерь в диэлектрике, тем самым затруднено выделение потерь вызванных ЧР. Малая чувствительность. |
|
Электрический метод измерения характеристик частичных разрядов |
Позволяют надежно измерять основные характеристики ЧР и обеспечивают высокую чувствительность, минимальный регистрируемый кажущийся заряд составляет 10-14 - 10-15 Кл |
Проведенный анализ методов показал, что наиболее достоверную количественную характеристику позволяет получить электрический метод измерения характеристик ЧР. Применение электрических методов измерений ЧР позволяет создавать целые экспертные диагностические системы для выявления дефектов в высоковольтном оборудовании.
Так авторами предлагается диагностическая система «K-Expertiza», которая позволит диагностировать состояние изоляции высоковольтного оборудования по интенсивности ЧР, параметры которых определялись электрическим методом. Измерение параметров ЧР осуществляется в два этапа. На первом этапе подают высоковольтное испытательное синусоидальное напряжение, амплитудное значение которого в полтора раза превышает рабочее, на втором этапе через минуту испытательное напряжение уменьшают до рабочего и производят контроль параметров ЧР. Обработка первичной информации, полученной в реально выполненном замере частичных разрядов, а также диагностика типов дефектов, проводимая в системе «K-Expertiza», иллюстрируется при помощи рисунка 4. На рисунке 4 показан один из основных экранных интерфейсов программы, непосредственно относящейся к процедуре диагностики дефектов в изоляции.
Рисунок 4 – Интерфейс диагностической системы
Справа вверху, на рабочем экране располагается плоскость TFM, иллюстрирующая объемное распределение импульсов, на которой размещается вся информация о ЧР выбранного замера, относящихся к одному измерительному каналу. В зависимости от количества выявленных программой, или пользователем, групп «похожих» импульсов на TFM плоскости, обладающих одинаковыми частотными и временными параметрами, программа автоматически создает необходимое количество «маленьких TFM плоскостей», на каждой из которых будут отображаться импульсы частичных разрядов, относящиеся только к одной локальной группе. Эти локальные распределения импульсов частичных разрядов будут располагаться на своих графиках, рядом с основным графиком TFM, и ниже его. На рисунке программой выявлена только одна группа импульсов, которая и показана в дополнительном окошке.
Справа внизу, на рабочем окне программы, располагается PRPD плоскость, на которой может быть показано распределение импульсов частичных разрядов относительно синусоиды приложенного к изоляции напряжения. Эта часть экрана позволяет оперативно оценивать тип вероятного дефекта, импульсы от которого присутствуют в замере, и были выделены в выбранную группу. Для этого на ней могут быть показаны или все импульсы частичных разрядов выбранного для диагностики замера, или же только их часть, которая сосредоточена на TFM плоскости в виде группы импульсов.
Для удобства анализа распределения импульсов, справа и снизу от PRPD плоскости, располагаются графические указатели, которые показывают распределение энергии импульсов, в функции амплитуды и полярности импульсов, и относительно фазового угла синусоиды питающей сети. Это вспомогательные графики, помогающие правильно оценивать распределение импульсов, более корректно проводить «ручную» диагностику дефектов в изоляции высоковольтного оборудования.
По каждой выделенной из общего замера группе импульсов может быть проведена автоматизированная, или «ручная» диагностика вероятных типов дефектов в изоляции. Для этой цели используется встроенная библиотека образов дефектов в изоляции. Результаты такой диагностики показываются в отдельном графическом окне программы, в виде готового текстового отчета.
Основой работы диагностической системы и достоверности полученных результатов являются так называемые диагностические правила, которые позволяют определить характер и место расположения дефекта, создавать массивы образов дефектов.
Для формирования таких диагностических правил авторами предлагается использовать комплекс статистических методов контроля качества, с помощью которых оцениваются результаты измерений характеристик ЧР.
Итоговым шагом в диагностике качества изоляции высоковольтного оборудования является формирование диагностического паспорта контролируемого оборудования.
В качестве примера на рисунке 5 приведен диагностический паспорт силового трансформатора из программы «K-Expertiza».
Рисунок 5 - диагностический паспорт силового трансформатора из программы «K-Expertiza»
Порядок формирования диагностического паспорта:
На первом этапе формирования паспорта фиксируются основные технические параметры оборудования.
Далее, на втором этапе, производится формирование массива частичных разрядов, монтируемых на оборудовании.
На третьем этапе в диагностический паспорт включаются диагностические правила, которые предназначены для оборудования такого типа, и учитывают специфические особенности данного типа высоковольтного оборудования.
Диагностический паспорт определяет порядок проверки замеров частичных разрядов на соответствие признакам конкретных дефектов в изоляции оборудования, причем все процедуры проводятся в автоматическом режиме.
Литература
1 ГОСТ 1516.2-97 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. 2 ГОСТ 1516.3-96 «Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции».3 Г.С. Кучинский. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия, 1979.-224 с.