На эквивалентной схеме внешнюю цепь в первом приближении можно представить в виде некоторого полного сопротивления ΖΒΧ (рис. 33,а), являющегося входным (по отношению к объекту) сопротивлением установки. В дальнейшем это сопротивление будем рассматривать в виде последовательной цепи из индуктивности, емкости и сопротивления (рис. 33,б), так как большинство схем замещения реальных устройств можно путем эквивалентных преобразований свести к принятому простейшему виду.
Рис. 33. Схема замещения установки высокого напряжения при частичных разрядах
Упрощенная схема замещения справедлива, если изоляцию объекта можно представить в виде сосредоточенной емкости Сх. Для оборудования, имеющего обмотки (трансформаторы, генераторы), такое приближение может быть принято лишь в том случае, когда дефект изоляции, в котором происходят разряды, находится вблизи от ввода высокого напряжения. В дальнейшем будем исходить из схемы замещения изоляции объекта, приведенной на рис. 33. Переходные процессы в силовом трансформаторе будут рассмотрены в § 18.
Весь ток i0 переходного процесса, замыкаясь по параллельным цепям реальной схемы установки, в общем случае не может быть измерен в одной ветви. Поэтому введем дополнительно коэффициент передачи схемы у, определив его как отношение тока, протекающего в данной ветви схемы, к общему току переходного процесса (рассматриваем лишь модуль этого отношения):
(42)
В большинстве встречающихся случаев входная емкость схемы существенно превышает емкость объекта, т. е. Свх>Сх; тогда
(43)
С учетом этого из (41) и (42) следует, что
(44)
Таким образом, можно определить ток переходного процесса (точнее, модуль спектральной плотности тока) в любой рассматриваемой цепи как произведение кажущегося заряда частичного разряда в объекте на соответствующий коэффициент, полученный из эквивалентной схемы установки.
Частотный спектр тока переходного процесса согласно (41) определяется коэффициентом
где
(45)
До граничной частоты ωΓρ, при которой в знаменателях выражений (45) можно пренебречь слагаемым ω2, коэффициент и модуль спектральной
плотности тока переходного процесса от частоты не зависит.
Модуль проводимости цепи (рис. 33,в), где —кажущийся заряд частичного разряда; ηэк=Сэк/Сх—коэффициент, учитывающий эквивалентную емкость цепи; Κ(ω) — коэффициент, определяемый спектром импульса тока в цепи; q0=qηэк — заряд импульса тока в цепи.
Рис. 34. Основные схемы включения измерительных устройств: 1—измерительное устройство; 2 — шина высокого напряжения
Величина β характеризует скорость развития процесса частичного разряда; обычно β>108 с-1. Следовательно, спектр импульса собственно тока частичного разряда достаточно широк:
Коэффициенты а и т характеризуют переходный процесс в схеме измерения. До частоты резонанса схемы ω0 значение т близко к единице и граничная частота определяется коэффициентом а, для реальных схем равного 107—108 с-1. Следовательно, спектр импульса тока переходного процесса при измерениях в условиях эксплуатации обычно определяется не процессом частичного разряда, а характеристиками схемы, в которой находится объект. Граничная частота лежит в пределах от 0,5 до 5 МГЦ; вблизи обычно находится и частота резонанса схемы замещения установки. Следует иметь в виду, что рассмотренная упрощенная схема является лишь первым приближением; в действительности наблюдается несколько резонансных точек, вблизи которых коэффициент Κα(w)>1·
В дальнейшем для упрощения ток во внешней цепи объекта, вызванный частичным разрядом, будет сокращенно называться током частичного разряда.
Основными схемами включения устройств для измерения частичных разрядов являются: схема последовательного включения, схема с соединительным конденсатором и балансная схема.
В схеме последовательного включения (рис. 34,а) измерительное устройство находится в ветви заземления низкопотенциального электрода контролируемого объекта Сх. Соединительный конденсатор Сс предназначен для уменьшения сопротивления токам, возникающим при частичных разрядах в изоляции объекта. Для обеспечения достаточной чувствительности схемы желательно, чтобы емкость соединительного конденсатора была не меньше емкости объекта.
Если цепь заземления низкопотенциального электрода объекта недоступна, измерительное устройство включается в ветвь заземления соединительного конденсатора (рис. 34,б). Если при этом емкость Сс конденсатора будет значительно превышать выходную емкость остальных элементов установки, то чувствительность схемы останется практически такой же, как и чувствительность схемы последовательного включения.
Балансная схема (рис. 34,в) является наиболее помехозащищенной, ибо чувствительность ее при импульсах во внешней цепи (цепь питания) много ниже, чем чувствительность при импульсах, вызываемых частичными разрядами в объекте. К числу балансных относятся мостовая схема и схема с компенсацией помех.
В качестве соединительной емкости Сс (называемой при этом балансной емкостью), как правило, применяют объект, аналогичный испытываемому, или конденсатор такой же емкости.
Основной схемой измерений в условиях эксплуатации является схема последовательного включения, когда измеряется ток в заземлении контролируемого объекта. Соединительной емкостью при этом является емкость на землю остальных элементов установки. Коэффициент передачи тока переходного процесса у при этом имеет наибольшее значение, т. е. обеспечивается максимальная чувствительность к импульсам частичных разрядов.
В случае, когда невозможно собрать схему с последовательным включением измерительного устройства, применяют схему с соединительным конденсатором, в качестве которого используется емкость изоляции любого соседнего аппарата. Так, при измерении частичных разрядов в изоляции силовых трансформаторов измерительное устройство включают в ветвь заземления низкопотенциальной обкладки ввода, используя его емкость в качестве соединительной.
В такой схеме через измерительное устройство протекает лишь часть тока, вызванного частичными разрядами в объекте; другая часть этого тока замыкается по параллельным цепям, что существенно уменьшает значение коэффициента у. За счет этого снижается реальная чувствительность метода измерений.
Мостовая схема измерения в условиях эксплуатации применяется редко. Более перспективна для этих условий близкая к ней схема с компенсацией помех. При эксплуатационных измерениях по схеме рис. 34,в обычно входное сопротивление установки, например шин РУ, значительно меньше сопротивления соединительного (балансного) конденсатора. Поэтому ток, вызванный частичным разрядом, в основном протекает лишь по ветви измерительного устройства, связанной с объектом. Источники же помех создают на шинах РУ напряжение, которое вызывает примерно равные токи помех в ветвях объекта и соединительного конденсатора. Это позволяет скомпенсировать на входе измерительного устройства ток помех, протекающий через объект.
Измерительные устройства. Устройство для измерения частичных разрядов (рис. 35) в общем случае состоит из первичного измерительного преобразователя (измерительного элемента) 1 и измерительного прибора 2.
Измерительный элемент zд преобразует импульсы тока (или напряжения) в контролируемой цепи, вызванные частичными разрядами, в импульсы напряжения, подаваемые на вход измерительного прибора.
В дальнейшем все приспособление для связи измерительного устройства с контролируемым объектом будем называть датчиком. При этом в состав датчика входят как собственно измерительный элемент, так и элементы, обеспечивающие безопасность (защитные разрядники, разделительные конденсаторы) и изменение схемы измерений (переключение по фазам измеряемого объекта и т. п.)
Рис. 35. Структурная схема измерительного устройства
Измерительные устройства по способу применения могут быть разделены на две основные группы: устройства для непосредственного включения в испытательную схему и устройства, не требующие для своего включения разрыва цепей испытательной схемы.
В устройствах первой группы осуществляется непосредственная (гальваническая) связь измерительного элемента с ветвью, до которой протекает измеряемый ток. В устройствах второй группы реализуется емкостная или индуктивная связь измерительного элемента датчика с измеряемым объектом. Это дает возможность измерения частичных разрядов без установки специальных устройств присоединения для измерений под рабочим напряжением.
По виду применяемого измерительного элемента датчики непосредственного включения разделяют на датчики с активным и индуктивным элементом. Из бесконтактных датчиков широко применяются только индуктивные; емкостные датчики имеют ограниченную область использования.
Различают узкополосные и широкополосные измерительные устройства. В широкополосных устройствах верхняя граничная частота полосы пропускания I2 много больше нижней граничной частоты f2. В узкополосных устройствах ширина полосы пропускания ∆f=f2—f1 много меньше средней частоты настройки f0=0,5(f2+f0)· Соответственно применяются широкополосные и узкополосные датчики.
Индуктивные бесконтактные датчики выполняются в виде колебательного контура, катушка индуктивности которого устанавливается вблизи шины с контролируемым током. Магнитный поток этого тока наводит в катушке ЭДС, пропорциональную составляющим спектра тока в полосе пропускания контура датчика. Часто такой датчик называется резонансным, ибо выходной сигнал его представляет собой процесс собственных (резонансных) затухающих колебаний контура датчика, возбужденного импульсом измеряемого тока. Такой датчик является узкополосным.
Индуктивный измерительный элемент датчика непосредственного включения вместе с емкостями объекта и других элементов схемы также образует колебательный контур, возбуждаемый импульсом тока, возникающего при частичном разряде. При достаточной добротности такого контура выходным сигналом являются затухающие колебания на его резонансной частоте. Увеличение активной нагрузки датчика с индуктивным измерительным элементом приводит к расширению полосы пропускаемых частот.
Датчик с активным измерительным элементом является широкополосным.
Напряжение на выходе датчика uд=zдik, где zд — полное сопротивление датчика, a ik — ток в его цепи. Включение датчика в испытательную цепь изменяет ее характеристики и, следовательно, параметры тока переходного процесса. С учетом (44) для спектральной плотности выходного напряжения датчика можно записать:
(46) где рд — коэффициент передачи датчика; — коэффициент, определяемый спектром тока переходного процесса в измерительной цепи (с учетом влияния измерительного элемента датчика).
В предположении, что сопротивление R и индуктивность L цепи определяются параметрами датчика, для датчиков непосредственного включения получены следующие соотношения: для активного рд=R, для индуктивного рд=w0LQ, для переносного рд=w0MQ, где М— коэффициент взаимной индуктивности между шиной с измеряемым током и катушкой датчика; Q — добротность колебательного контура, образованного датчиком. При резонансной настройке датчика в формуле (46) Κ(w)=Κ'(ω0).
В измерительном приборе производится преобразование полученных на выходе датчиков импульсов и измерение их параметров. Основными узлами измерительного прибора (см. рис. 35) являются регулятор чувствительности 3, фильтр 4, усилитель 5 и индикатор 6. Регулятором чувствительности выбирается диапазон измерения. Основное назначение фильтра — подавление напряжения промышленной (испытательной) частоты и его высших гармоник. Для этого применяется фильтр высших частот. Часто фильтр используется для формирования полосы пропускания измерительного устройства; в этом случае применяется полосовой фильтр. В некоторых приборах фильтры не применяются, а обе функции — подавление низкочастотных напряжений и формирование полосы — выполняют другие элементы (датчик, усилитель).
После усиления импульсы поступают на вход индикатора, назначением которого является измерение основных характеристик последовательности импульсов, возникающих при частичных разрядах. Схемы индикаторов составляются так, чтобы испытатель получил наиболее полную информацию об измеряемом процессе.
Временные характеристики напряжения на выходе усилителя прибора могут быть получены при помощи обратного преобразования Фурье
где ky — коэффициент усиления усилителя.
Для случая измерения узкополосным прибором можно принять, что модуль и фаза спектральной функции сигнала в полосе ∆w<<w0 не изменяются. Тогда, приняв для упрощения, что φ(w0)=0, с учетом (46) получим
.
Следовательно, при частичном разряде в изоляции объекта на выходе узкополосного усилителя возникает колебательный процесс с частотой, равной частоте настройки усилителя, и с амплитудой огибающей импульса
(47) где
—коэффициент передачи усилителя.
Из (47) следует, что при частичном разряде в изоляции объекта на выходе узкополосного усилителя измерительного устройства появляется импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной заряду импульса тока в схеме и коэффициенту, определяющему форму спектральной характеристики этого тока.
При измерениях в области частот, в которой амплитуда импульса напряжения будет пропорциональна только заряду импульса тока в цепи и, следовательно, кажущемуся заряду импульса частичного разряда
(48)
Формула (48) получена в предположении, что измерения проводятся узкополосной системой. На широкополосное устройство в общем случае полученные выводы распространить нельзя. Однако если спектр измеряемого импульса не меняет своей плотности в достаточно широком диапазоне частот, то показания широкополосного измерителя также будут пропорциональны заряду.
Из полученных соотношений следует, что индикатором прибора для измерения кажущегося заряда импульса частичного разряда должен быть измеритель амплитудных значений огибающих импульса напряжения на выходе усилителя — пиковый (квазипиковый) вольтметр, осциллограф и т. п.
Поскольку показания а такого индикатора пропорциональны величине Uy, то с учетом (44) и (48)
(49) где р — коэффициент передачи измерительного устройства.
Соотношение (49) полностью определяет возможность измерения кажущегося заряда импульса частичного разряда и градуировки шкалы приборов в единицах заряда.
Если кроме амплитудного измерителя индикатор прибора будет иметь измеритель количества или средней частоты следования импульсов данной амплитуды, то по их показаниям может быть подсчитан и средний ток частичных разрядов. Наличие амплитудного дискриминатора позволяет получить распределение импульсов по амплитудам, что существенно увеличивает объем информации о контролируемых процессах разрядов.
Форма импульсов на выходе усилителя определяется его характеристиками и при правильно выбранной области частот настройки прибора от длительности частичного разряда не зависит. Заряд импульса на выходе усилителя будет пропорционален заряду импульса на входе. Поэтому, если в качестве индикатора применить измеритель средних значений, его показания будут зависеть как от значения зарядов импульсов, так и от их количества. Такой индикатор будет измерять средний ток частичных разрядов.
Описанные индикаторы применяются наиболее часто; однако иногда используют индикаторы, измеряющие и другие характеристики разрядов — квадратичное значение тока и мощность.
Полоса частот пропускания измерительного устройства должна быть согласована с частотным спектром сигнала датчика.
Наиболее целесообразным представляется энергетический подход к определению полосы частот. При таком подходе измерение должно производиться при полосе частот устройства, в которой заключена подавляющая часть энергии сигнала (в рассматриваемом случае импульса напряжения на выходе датчика).
Для датчика с активным измерительным элементом 90 % энергии импульса находится в полосе, ограничиваемой сверху частотой 0,98а, где a —величина, обратная постоянной времени цепи датчика. Для датчика с индуктивным измерительным элементом 90 % энергии импульса находится в полосе частот Δf≈ω0/Q.
Полученные выше выводы справедливы лишь для случая воздействия на измерительное устройство единичного импульса, т. е. если период повторения импульсов частичных разрядов (промежуток времени Т между соседними импульсами) превышает время реакции испытательной схемы (вместе с измерительным устройством).
Длительность импульса на выходе усилителя определяется шириной полосы пропускания измерительного устройства Δf или f2— f1 (с учетом испытательной схемы, если полоса частот прибора не согласована с постоянной времени схемы). Импульс практически затухает через время
t=1/∆f≈τизм, где τизм— время реакции измерительного устройства. Поэтому каждому импульсу частичного разряда соответствует импульс на выходе усилителя лишь в том случае, если Т>τизм, откуда ∆f>F, где F= 1/Т — частота следования импульсов.
Полученное соотношение определяет разрешающую способность измерительного устройства.
Если за период времени, равный продолжительности реакции устройства, на входе датчика будут действовать несколько импульсов, то их энергия суммируется и на выходе появится один эквивалентный импульс. При этом не только будет утеряна такая характеристика, как количество разрядов (или их средняя частота следования), но и будут искажены данные о заряде импульсов, ибо на выходе усилителя амплитуда импульсов будет иметь случайное значение, зависящее не только от заряда, но и от интервала между импульсами.
По установившейся терминологии устройства, применяемые в схемах непосредственного включения, называются индикаторами частичных разрядов (ИЧР). Измерения ИЧР производятся, как правило, во время испытания изоляции приложенным повышенным напряжением, а также в случаях, когда контролируемый в условиях эксплуатации объект оборудован стационарным устройством присоединения.
Разработаны модификации ИЧР для автоматического непрерывного контроля оборудования в условиях эксплуатации — сигнализаторы частичных разрядов (СЧР). В основе своей схемы СЧР принципиально не отличаются от схемы ИЧР, однако СЧР снабжен дополнительно логическим и релейным устройствами, функциями которых являются обнаружение недопустимого увеличения интенсивности измеряемых частичных разрядов и формирование сигнала о наличии повреждения изоляции. В ряде устройств СЧР предусматривается также блокировка от неправильного действия при помехах.
Переносные устройства, предназначенные для контроля изоляции под рабочим напряжением при помощи бесконтактных датчиков, обычно называются дефектоскопами. Однако между ними и ИЧР существенных различий нет.
