Обнаружение частичных разрядов в силовых трансформаторах при помощи дефектоскопа может быть использовано как экспресс-метод качественного контроля. Измерения при этом производятся индуктивными датчиками, устанавливаемыми на шинах заземления нейтрали и бака трансформатора. Контроль ведется путем сравнения между собой уровней разрядов однотипных объектов или оценки изменений во времени результатов, полученных на данном объекте.
Подобная упрощенная методика массового контроля, аналогичная методике контроля остального оборудования РУ, обеспечивает возможность выявления предаварийного состояния изоляции, если интенсивность частичных разрядов существенно превышает уровень помех.
Однако для оценки опасности обнаруженных частичных разрядов, сопоставления результатов измерений с заводскими данными и установления браковочных норм, а также для определения реально выявляемой интенсивности разрядов необходимы количественные измерения, т. е. приведение данных к значению кажущегося заряда импульса частичного разряда на вводе ВН трансформатора (автотрансформатора).
1 В дальнейшем, если не будет специально оговорено, рассматриваются одновременно как трансформаторы, так и автотрансформаторы.
Такое приведение производится при помощи градуировки и в общем случае справедливо лишь тогда, когда частичные разряды происходят в дефекте, расположенном вблизи от ввода, на который подавался градуировочный импульс. Если дефект удален от ввода, то импульс частичного разряда, распространяясь по обмотке, может существенно измениться (из-за затухания и деформации спектра), что не позволит установить количественную связь между результатами измерения и зарядом импульса. Это ограничивает выбор частоты настройки и полосы пропускания измерительного устройства.
С учетом указанного ограничения рассмотрим условия измерения частичных разрядов в силовом трансформаторе, находящемся в рабочей схеме.
Для расчета разрядов вблизи ввода ВН в качестве упрощенной схемы замещения одной фазы обмотки можно принять четырехполюсник А (рис. 39), на вход которого через емкость Сr от эквивалентного источника напряжения Δuв подается заряд q, равный кажущемуся заряду импульса частичного разряда. Схема замещения включает также емкость Свн ввода данной фазы и полное сопротивление Ζвх, эквивалентное входному сопротивлению схемы РУ.
Схема замещения автотрансформатора должна включать также аналогичные элементы стороны среднего напряжения.
Доступные для включения датчика измерительного устройства точки находятся в заземлениях вывода ПИН ввода, нейтрали и бака трансформатора, а также в заземлении ближайшего к трансформатору аппарата, имеющего большую емкость. Последовательной схеме включения измерительного устройства соответствует только точка 5 (заземление бака). При остальных схемах включения датчика ток частичного разряда разветвляется по ряду параллельных цепей, одна из которых — входное сопротивление РУ — оказывает шунтирующее действие на схему измерений, существенно снижая коэффициент передачи тока разряда. Каждой точке включения датчика соответствует свой коэффициент передачи, который будем различать индексами. Первый индекс означает место приложения градуировочного импульса, а второй — точку включения датчика измерительного устройства.
Таблица 14. Коэффициенты передачи импульса тока
Рис. 39. Схема замещения для случая измерения разрядов вблизи ввода ВН трансформатора. Места включения датчиков в цепях заземления:
1 —специальный вывод (ПИН) ввода ВН; 2— специальный вывод (ПИН) ввода СН (на схеме не показан); 3 — нейтраль; 4 — аппарат с большой емкостью вблизи от ввода ВН; 5—бак
Рис. 40. Зависимость от частоты коэффициента передачи импульса тока в заземление бака автотрансформатора
АТДЦТН-125000/330 (в рабочей схеме)
Входное сопротивление схемы РУ и, следовательно, его шунтирующее действие зависят от частоты. В табл. 14 приведены результаты измерения коэффициентов передачи для трех блочных трансформаторов, проведенного широкополосными приборами в областях частот от 10 до 70 кГц (диапазон Ш70) и от 500 до 1500 кГц (диапазон Ш1,5). Обмотка НН при измерениях была закороченa и заземлена. Ошиновка стороны ВН заземлена на ОРУ. Градуировочный импульс подавался на ввод ВН.
Существенное изменение коэффициентов передачи в области низких частот (диапазон Ш70) при подключении ошиновки подтверждает большое влияние схемы присоединения трансформатора на распределение тока частичных раз. рядов.
При переходе на измерения в области высоких частот (диапазон Ш1,5) шунтирующее действие РУ становится незначительным, что может быть объяснено- влиянием индуктивности относительно длинного участка шин между трансформатором и ОРУ. При таких измерениях реализуется максимально возможная чувствительность и упрощается градуировка с отключением объекта.
При выборе частоты настройки измерительного устройства· необходимо устранить зависимость результатов измерения от места дефекта, вызванную затуханием импульса тока при распространении его по обмотке. Учесть затухание в обмотке в виде поправки к результатам при эксплуатационных измерениях практически невозможно, так как место расположения дефекта обычно неизвестно.
Возможны два способа устранения этой зависимости: включение датчика в цепь, имеющую емкостную связь со всей обмоткой, и выбор частоты настройки и полосы пропускания измерительного устройства в области, где затухание импульса частичного разряда при его распространении по обмотке находится в допустимых пределах.
Создание емкостной связи датчика прибора со всей обмоткой реализуется при измерении тока в заземлении бака (см. рис. 39, точка 5). На рис. 40 приведена частотная зависимость коэффициента передачи γ, показывающая, что такие измерения возможны в достаточно широком диапазоне частот.
Однако в реальных условиях по шине заземления бака нередко протекают значительные импульсы тока внешних помех (от разрядов в токопроводе и т. п.), исключающие возможность измерения малых интенсивностей частичных разрядов. Поэтому выбор области частот, в которой затухание импульса в обмотке будет находиться в допустимых пределах, позволит также производить измерения в точках 1, 3 и 4 (см. рис. 39).
Характер переходного процесса, вызванного частичными разрядами в трансформаторе, зависит от конструкции его обмотки. В мощных трансформаторах до 330 кВ включительно, как правило, применяются непрерывные катушечные обмотки, в которых переходные процессы имеют хорошо выраженный волновой характер. Емкостная составляющая импульса при распространении по обмотке затухает очень быстро и может быть использована лишь для измерения разрядов, происходящих вблизи от ввода.
Исследования показали, что в этом случае малую зависимость результатов от места дефекта в обмотке можно получить, применяя широкополосные измерительные устройства, полоса которых должна включать в себя частоты основных составляющих волнового процесса. Измерение узкополосным прибором на одной и резонансных частот может привести к большой зависимости результатов измерения от места дефекта на обмотке. Обычно используют полосу частот от 30 до 200—300 кГц.
Высокочастотные устройства для передачи информации на ВЛ занимают в энергосистемах диапазон частот от 40 (в редких случаях от 70) до 500 кГц. Из-за помех от этих устройств и от местных радиопередатчиков при эксплуатационных измерениях частичных разрядов без отключения трансформатора использование широкополосных приборов с указанной полосой частот полностью исключено.
Приведенные на рис. 41 данные показывают, что существует область частот, в которой место дефекта практически не влияет на результаты измерений, — это область низких частот, где затухание импульса в обмотке не превышает 10—15 дБ.
Данные рис. 41 подтверждают также, что измерения узкополосным устройством при неправильном выборе частоты его настройки могут привести к возрастанию ошибок в определении заряда импульса частичного разряда, так как существует сильная зависимость значений γ1,3 от места дефекта.
Как показали опыты, широкополосное устройство даже с ограниченной полосой частот (10—70 кГц, диапазон Ш70) обеспечивает слабую зависимость результатов измерений от места разряда и тогда, когда некоторые из составляющих волнового процесса в обмотке охватываются полосой устройства.
Опыты на силовом трансформаторе (рис. 42, кривая 1) показали, что величина γ1,3 изменяется сравнительно мало до области частот 50—60 кГц, а характер ее изменения соответствует результатам, полученным на модели (рис. 41,а).
Рис. 41. Зависимость от частоты коэффициента передачи импульса тока по модели обмотки ВН трансформатора:
Рис. 42. Зависимость от частоты коэффициента передачи импульса тока в заземление нейтрали трансформатора типа ТДЦ-400000/220:
1—без ошиновки ВН; 2—с ошиновкой ВН. ошиновка не заземлена; 3 — с ошиновкой ВН, ошиновка заземлена на ОРУ; X—результаты градуировки под рабочим напряжением
а—непрерывная катушечная обмотка (относительно значения коэффициента на частоте 2 кГц); б— переплетенная обмотка; I — относительное расстояние от нейтрали точки приложения импульса (на вводе l=1)
Рис. 43. Зависимость от частоты коэффициентов передачи импульса тока от вводов ВН (γ1,3) и СН (γ2,3) в заземление нейтрали автотрансформатора типа АОДЦТН-330000/750
Аналогичные зависимости получены и для ряда силовых трансформаторов напряжением 330 кВ.
Исходя из полученных на трансформаторах 220—330 кВ данных можно считать, что в области низких частот (до 60 кГц), по крайней мере для широкополосного измерительного устройства, можно выбрать полосу частот, в которой зависимость результатов измерений от места дефекта в обмотке будет находиться в допустимых пределах. Нижняя граница полосы частот определяется областью помех от гармоник и комбинационных частот рабочего напряжения (15—20 кГц), а верхняя — конструктивными особенностями обмотки.
В обмотках трансформаторов высших классов напряжения (500 кВ и выше), имеющих повышенную продольную емкость (переплетенные обмотки), емкостная составляющая импульса частичного разряда затухает мало, а волновой процесс выражен слабо. Приведенные на рис. 43 данные показывают, что между вводами автотрансформатора 750 кВ и 330 кВ импульс затухает незначительно, а коэффициент передачи на нейтраль практически не зависит от частоты в широком диапазоне, кроме области низкочастотных колебаний обмотки (вблизи частоты 20 кГц).
В таких трансформаторах зависимость результатов измерения кажущегося заряда частичного разряда от места дефекта значительно меньше, чем в трансформаторах с катушечными обмотками.
Приведенные данные показывают, что оптимизация условий измерения, которую необходимо проводить при организации контроля каждого нового типа трансформаторов, должна состоять из двух этапов. На первом этапе путем градуировки трансформатора без ошиновки определяют область частот и точки включения датчика, обеспечивающие малую зависимость результатов измерения от места дефекта. На втором этапе путем измерения эквивалентного уровня помех, которое целесообразно проводить при градуировке под рабочим напряжением, определяют область частот и схемы (точки) включения датчика, обеспечивающие наибольшую чувствительность (наименьшую выявляемую интенсивность частичных разрядов). Окончательно оптимальные условия измерений определяют по совокупности полученных данных, а последующие периодические измерения проводятся лишь в выбранных при этом точках на одной-двух частотах или полосе частот.
При правильном выборе полосы пропускания измерительного устройства в области низких частот кажущийся заряд частичного разряда, выявляемого при данном уровне помех от короны, практически не зависит от места установки датчика (на вводе ВН или в нейтрали). Если дефект находится внутри обмотки, доля тока частичного разряда, протекающего через заземление нейтрали, увеличивается, что при измерениях на нейтрали увеличивает отношение сигнал/помеха. Это увеличение существенно лишь в том случае, если велико влияние схемы присоединения трансформатора (т. е. имеется значительное различие коэффициентов передачи γ1,1 и γ1,3, измеренных в рабочей схеме и на отключенном от сети трансформаторе).
Измерениям на нейтрали нередко препятствуют дополнительные помехи, воздействующие непосредственно на датчик. Поэтому при эксплуатационных измерениях в качестве основных целесообразно использовать обе точки включения датчика — на вводе и в нейтрали, оценивая в каждом случае выявляемую интенсивность частичных разрядов (или соответствующий ей эквивалентный уровень помех). В качестве дополнительных точек включения датчика целесообразно использовать заземление бака и для автотрансформаторов — заземление ПИН ввода СН.
Как показали измерения в области низких частот, из-за шунтирующего влияния схемы присоединения на стороне СН использование датчика на нейтрали автотрансформаторов нецелесообразно. Нельзя использовать эту точку для измерения и при наличии регулировочного трансформатора. Поэтому при организации измерений частичных разрядов на автотрансформаторах необходимо в качестве второй точки включения датчика использовать заземление бака или ввод СН.
Указанные области частот настройки измерительного устройства обеспечивают малую зависимость результатов измерения от места дефекта. При измерении в области низких частот существенно шунтирующее действие входного сопротивления РУ, поэтому при подключении ошиновки коэффициенты передачи снижаются на 10—20 дБ. Это означает, что при дефекте, расположенном вблизи от ввода, ток, проходящий через измерительную схему, составляет лишь 10—30 % тока, вызванного частичными разрядами.
Чувствительность схемы можно повысить, применив датчик тока частичных разрядов, установленный на выводе ВН обмотки, т. е. создав схему последовательного включения измерительного устройства. К сожалению, разработка таких датчиков еще не закончена.
Есть другой способ повышения чувствительности схем к разрядам, возникающим вблизи от вводов трансформаторов, — измерение их в области высоких частот, где отсутствует шунтирующее действие ошиновки. Поэтому измерения на вводах ВН и СН автотрансформатора следует проводить не только на низких, но и на высоких частотах, используя их результаты для определения интенсивности разрядов во вводе или прилегающей к нему части обмотки.
Рекомендуются следующие типовые условия измерений (табл. 15).
Таблица 15. Типовые условия измерений
Примечание. Значение f0 выбирается по минимуму помех.
Следует учитывать, что при оптимизации условий измерений в зависимости от особенностей объекта и схемы его присоединения в ОРУ могут быть получены данные, несколько отличающиеся от табличных. Так, в частности, нижняя граница области высших частот (500 кГц) принята вынужденно из-за возможных помех от высокочастотных устройств. При возможности ее следует выбирать в области от 100 до 500 кГц.
На рис. 44 в качестве примера приведены результаты определения наименьшей выявляемой интенсивности частичных разрядов в трансформаторе ТДЦ-400000/330 и необходимой для этого полосы частот измерительного устройства. Длина ошиновки между трансформатором и ОРУ превышает 300 м. Однако вблизи от ввода ВН включен конденсатор большой емкости, защищающий обмотку от импульсов перенапряжений, поэтому в заземлении этого конденсатора также можно производить измерения. Определялись частотные зависимости уровня помех при установке датчиков на шинах заземления нейтрали и защитного конденсатора. Выявляемая интенсивность разрядов рассчитывалась в соответствии с (54) по результатам измерения qи и коэффициентов передачи схемы γ1,3 и γ1,4. Принято, что Кс.п=10 дБ. К результатам, полученным градуировкой под напряжением, в данном случае ближе данные расчета по коэффициентам передачи, полученным при градуировке с заземленной ошиновкой.
Как следует из рис. 44, оптимальная полоса частот при измерении тока в нейтрали лежит в области от 30 до 50 кГц. Ниже существенно растет уровень помех, а выше падает величина γ1,3. Коэффициент передачи γ1,3 этого трансформатора в указанной области частот не ниже —12 дБ, что свидетельствует о достаточно малом затухании импульса в обмотке.
Рис. 44. Выявляемая интенсивность частичных разрядов при измерениях на трансформаторе ТДЦ-400000/330 в рабочей схеме (относительно ηΒ=1ϋ~β Кл):
1~измерения в нейтрали; 2—измерения на вводе ВН (в заземлении защитного конденсатора); сплошная линия — градуировка под рабочим напряжением; пунктир — градуировка отключенного трансформатора, ошиновка ВН заземлена и а ОРУ
Таблица 16. Результаты измерений при оптимизации условий контроля трансформатора ТДЦ-400000/220
Примечание. Диапазоны Ш60 (15—60 кГц) и Ш1000 (500—1000 кГц) — широкополосные.
Поэтому при применении широкополосного измерительного устройства можно ожидать, что зависимость результатов измерения от места дефекта будет достаточно слабой.
При измерении в заземлении конденсатора (на вводе ВН) по результатам градуировки выявляемая интенсивность частичных разрядов близка к наименьшему значению в широком диапазоне частот (от 30 до 150 кГц). Однако во избежание существенной зависимости результатов измерения от места дефекта верхняя граница полосы частот прибора не должна превышать 50 кГц.
Ввиду наличия на стороне ВН конденсатора большой емкости, который может быть использован в качестве соединительного, измерения в верхней области, частот (500—1000 кГц) проводить нецелесообразно.
Рассмотрим в качестве примера последовательность и результаты работ по· оптимизации условий измерения разрядов в изоляции трансформатора ТДЦ-400000/220. Датчики были установлены на измерительных выводах вводов ВН (точка 1 на рис. 39), на шинах заземления нейтрали (точка 3) и бака (точка 5). Все результаты измерений и расчетов приведены в табл. 16. Эквивалентный уровень помех определялся по формуле (53).
Порядок измерений и записи результатов:
градуировка отключенного трансформатора; градуировочные импульсы qг=10-8 приложены к вводу ВН (строки 1 и 2 табл. 16);
градуировка под напряжением через ввод ВН; приведено к qг=10-8 Кл (строки 3 и 4);
измерение уровня помех от короны (строки 5—7);
расчет эквивалентного уровня помех (строки 8—10).
Эквивалентный уровень помех в нижней области частот практически неизменен и оценивается значением qп3=3-10-8 Кл. Поэтому для измерений в точках 1 и 3 следует принять диапазон широкополосного устройства Ш60 (15—60 кГц). Для точки 5 область минимального уровня помех тоже лежит в этом диапазоне· частот, причем qп5≈5·10-9 Кл. Этот уровень ниже, чем в других точках измерений, что обеспечивает более высокую чувствительность метода.
Окончательно для периодического контроля данного трансформатора выбрано измерение широкополосным прибором в диапазоне частот 15—60 кГц (Ш60) в точках 1, 3 и 5 и дополнительно в диапазоне частот 500—1000 кГц (Ш1000) в точке 1. Возможно измерение узкополосным прибором в этих же частотных диапазонах (в нижней области — с частоты 30 кГц).
Современные шунтирующие реакторы имеют охватывающие обмотку симметричные экраны выводами, которые обеспечивают возможность измерения частичных разрядов в схеме с компенсацией помех.
Приведем результаты измерения помех на реакторе 750 кВ, находящемся в рабочей схеме; значения уровней помех отнесены к q0=10-8 Кл.
Рис. 45. Результаты измерений частичных разрядов в реакторе РОДЦ-110000/750 (измерено на вводе 750 кВ)
Измерения велись широкополосным (диапазон Ш60, от 20 до 60 кГц) и узкополосным приборами (диапазоны У20—У150, где цифра означает частоту настройки в килогерцах).
Уровень помех qn измерялся при последовательной схеме включения прибора (в цепи заземления одного экрана), а остаточный уровень помех qо.п — при балансной схеме (с компенсацией помех).
Уровень помех при контроле реактора
Приведенные данные показывают, что примененная схема позволяет измерять частичные разряды под уровнем помех; при помехах около 3·10-8 Кл остаточный их уровень, определяющий чувствительность к частичным разрядам в главной изоляции реактора, не превышал 10-10 Кл.
В качестве примера влияния ошиновки на выбор частоты настройки прибора приведем результаты измерения частичных разрядов в реакторе РОДЦ-110000/750 (рис. 45). Разряды происходили между заземленным экраном обмотки и куском фольги, имеющим плавающий потенциал.
Измерительный прибор был подключен к выводу ПИН ввода 750 кВ. В качестве уровня помех приняты результаты измерений на другой фазе реактора. Из графика следует, что оптимальная область частот настройки прибора 100— 125 кГц. При низких частотах чувствительность снижается на 20 дБ (в 10 раз).
Если бы измерительный прибор был подключен к выводу экрана, то, как следует из данных предыдущего примера, значение Кс.п>20 дБ было бы обеспечено на любой из указанных частот. В балансной схеме в этом случае отношение сигнал/помеха превышало бы 60 дБ (1000 раз).
