Методы и средства диагностики оборудования ВН - Измерения частичных разрядов в условиях эксплуатации

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Оптимизация условий измерений является важным условием организации эффективного контроля оборудования по характеристикам частичных разрядов. В ряде случаев имеющийся опыт эксплуатационных измерений позволяет дать типовые рекомендации.
Контроль трансформаторов тока и вводов. Основной является схема последовательного включения измерительного устройства. Возможно применение балансной схемы, состоящей из двух однотипных объектов, находящихся недалеко друг от друга.
Датчик (устройство присоединения) включается в цепь заземления наружной обкладки изоляционной конструкции. Используются также высокочастотные трансформаторы тока, устанавливаемые на шинах заземления объекта.
В диапазоне до сотни килогерц уровень помех и коэффициент передачи обычно от частоты зависят мало, и выбор оптимальной частоты настройки прибора существенного выигрыша в чувствительности не дает.
Из-за интенсивных помех от высокочастотных устройств для широкополосных измерений используются лишь две области частот: от 15 до 70 кГц (нижняя область) и от 0,5 до 2 МГц (верхняя область). При узкополосном приборе можно использовать всю область частот от 15 кГц до 2 МГц. Измерения на частотах выше 2 МГц производятся лишь для поиска места разрядов.
Измерения у трансформаторов тока лучше производить в области частот до 70 кГц. При этом низкое входное сопротивление схемы РУ обеспечивает наибольшее возможное значение тока, вызванного ЧР, и, следовательно, наибольшую возможную чувствительность. При выполнении этого условия может быть произведена упрощенная эквивалентная градуировка путем подачи градуировочных импульсов на вход измерительного устройства (датчика), включенного в схему измерений.
При контроле вводов силовых трансформаторов ограничение в выборе частоты настройки отсутствует, так как замыкание тока, вызванного ЧР, обеспечивает входная емкость трансформатора. И в этом случае возможна упрощенная градуировка на вход измерительного устройства.
При измерениях в области частот 0,5-2 МГц уровень разрядов в основном определяется источниками, расположенными вблизи места установки датчика. Это облегчает поиск места разрядов, но усложняет процесс анализа результатов измерений, ибо помехи от короны, вызванные разными источниками, могут иметь различающиеся уровни и, следовательно, дадут различающиеся показания прибора на однотипных объектах.
При выборе полосы частот пропускания измерительного устройства следует учитывать, что с ее расширением повышается стабильность результатов измерений и упрощается измерительное устройство, но при этом возрастают помехи от высокочастотных устройств связи, релейной защиты и телемеханики, а также мощных местных радиостанций.
Уровень помех при контроле аппаратов 330-750 кВ оценивается эквивалентным значением кажущегося заряда ЧР в пределах 10-9- 10-8 Кл. Это позволяет выявить лишь критические ЧР, быстро разрушающие изоляцию. Для выявления разрядов меньшей интенсивности целесообразно применение балансной схемы измерений (схемы компенсации помех), в которую включены два аналогичных объекта одной фазы. В этой схеме достаточно просто подавляются помехи, общие для обоих объектов (например, помехи от короны на шинах). Остаточный уровень помех определяется местными источниками - стримерной короной на одном из объектов и т.п. Эти помехи появляются потому, что одноименные фазы разных объектов находятся обычно достаточно далеко друг от друга и импульсы стримерной короны на одном из объектов не дают такого же тока в другом.
При контроле трансформаторов тока, находящихся в рабочей схеме, измерены следующие уровни помех:

Значения эквивалентного уровня помех отнесены к Дц = 1 · 10-8 Кл. Измерения велись узкополосным (диапазоны У20—У500, где число означает частоту настройки в килогерцах) и широкополосным приборами (Ш60, полоса от 20 до 60 кГц; Ш1,5 - от 0,5 до 1,5 МГц).
В баласную схему были включены трансформаторы тока разных присоединений (одной фазы).
Из полученных данных следует, что компенсация помех в балансной схеме при измерениях в нижней области частот обеспечивает повышение чувствительности метода в 5—8 раз. В верхней области частот эффективность такой схемы оказалась недостаточной. При измерениях в этой области частот необходимо тщательное симметрирование схемы, что в условиях эксплуатации не всегда возможно.

Контроль силовых трансформаторов.

Трансформаторы (включая автотрансформаторы) в схеме измерения ЧР могут рассматриваться как объекты со сосредоточенной емкостью лишь при разрядах в дефектах, находящихся вблизи от вводов. В этом случае применимы описанные методы градуировки.

Рис. 4.8. Схема замещения для случая измерения разрядов вблизи ввода ВН трансформатора. Места включения датчиков в цепях заземления:

1 — вывод ввода ВН; 2 — вывод ввода СН (на схеме не показан); 3 — нейтраль; 4 — аппарат с большой емкостью вблизи от ввода ВН; 5 — бак

Если дефект удален от ввода, то импульс тока разряда, распространяясь по обмотке, может существенно измениться (из-за затухания и деформации спектра), что исключает возможность количественной оценки интенсивности ЧР. Это должно быть учтено при оптимизации условий измерений.
Для расчетного случая разрядов вблизи вводов ВН в качестве упрощенной схемы замещения одной фазы обмотки можно принять четырехполюсник А (рис. 4.8), на вход которого через емкость Ст от эквивалентного источника напряжения дельта ив подается заряд q, равный кажущемуся заряду импульса частичного разряда. Схема замещения включает также емкость Свн ввода данной фазы и полное сопротивление ZBX, эквивалентное входному сопротивлению схемы РУ.
Схема замещения автотрансформатора должна включать также аналогичные элементы стороны среднего напряжения.
Доступные для измерения тока частичных разрядов точки включения датчика измерительного устройства находятся в заземлениях низкопотенциального вывода 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, снижая коэффициент передачи тока разряда.
При измерениях, проводимых в нижней области частот, шунтирующее действие существенно. Сигнал от ЧР, измеренный в точке 1, из-за этого может уменьшиться почти на порядок; соответственно ухудшается отношение сигнал/помеха. На более высоких частотах шунтирующее действие РУ снижается, что может быть объяснено влиянием индуктивности длинного участка шин между трансформатором и другим оборудованием.

Таблица 4.1. Коэффициенты передачи импульсов тока

В табл. 4.1 приведены результаты измерений коэффициентов передачи для трех блочных трансформаторов, проведенных широкополосными приборами в областях частот от 10 до 70 кГц (диапазон Ш70) и от 500 до 1500 кГц (диапазон Ш1,5). Шины стороны ВН заземлены на ОРУ. Градуировочный импульс подавался на ввод ВН. Каждой точке включения датчика соответствует свой коэффициент передачи, различаемый индексами. Первый индекс означает место приложения градуировочного импульса, а второй — точку включения датчика измерительного устройства.
Существенное изменение коэффициентов передачи в нижней области частот (диапазон Ш70) при подключении шин подтверждает большое влияние схемы присоединения трансформатора на распределение тока ЧР. При переходе на измерения в верхней области частот (диапазон Ш1,5) шунтирующее действие РУ становится незначительным. При таких измерениях реализуется максимально возможная чувствительность и возможно применение результатов градуировки отключенного объекта.

Учесть затухание импульса ЧР в обмотке в виде поправки к результатам при эксплуатационных измерениях практически невозможно, так как место расположения дефекта неизвестно. Поэтому необходимо обеспечить малую зависимость результатов измерения от места дефекта в обмотке.
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 ЧР при распространении его по обмотке находится в допустимых пределах.
Создание емкостной связи датчика прибора со всей обмоткой реализуется при измерении тока в заземлении бака (см. рис. 4.8, точка 5). На рис. 4.9 приведена частотная зависимость коэффициента передачи, 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 ЧР малой интенсивности. Поэтому необходим выбор области частот, при измерении в которой затухание импульса в обмотке будет находиться в допустимых пределах; это позволит также производить измерения в точках 1,3 и 4.

Рис. 4.9. Зависимость от частоты коэффициента передачи импульса тока в заземление бака автотрансформатора АТДЦТН-125000/330 (в рабочей схеме)
Рис. 4.10. Зависимость от частоты коэффициентов передачи импульса тока с вводов ВН и СН  в заземление нейтрали автотрансформатора типа АОДДТН-330000/750

Импульс ЧР распространяется по обмотке волновым процессом, по емкостным связям и низкочастотными колебаниями. Переходный процесс 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.
Исходя из полученных на трансформаторах 220-330 кВ данных можно считать, что в области частот до 60 кГц, по крайней мере для широкополосного измерительного устройства, сглаживающего резонансные выбросы, 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 ЧР затухает мало, а волновой процесс выражен слабо.

Таблица 4.2. Типовые условия измерений

Примечание. Значение f0 выбирается по минимуму помех.

В таких трансформаторах зависимость результатов измерения кажущегося заряда ЧР от места дефекта значительно меньше, чем и трансформаторах с катушечными обмотками. Приведенные на рис. 4.10 данные показывают, что между вводами 750 и 330 кВ (точки 1 и 2, см. рис. 4.8) импульс затухает незначительно, а коэффициент передачи на нейтраль (в точку 3) практически не зависит от частоты в широком диапазоне, кроме области низкочастотных колебаний обмотки (вблизи частоты 20 кГц).
Оптимизация условий измерения, которую необходимо проводить при организации контроля каждого нового типа трансформаторов, должна состоять из двух этапов. На первом этапе путем градуировки трансформатора с отключенными шинами 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 напряжением, определяют область частот и точки включения датчика, обеспечивающие наибольшую чувствительность (наименьшую выявляемую интенсивность ЧР). Окончательно оптимальные условия измерений определяют по совокупности полученных данных, а последующие периодические измерения проводят лишь в выбранных при этом точках на одной-двух частях (полосах частот).
Рекомендуются следующие типовые условия измерений (табл. 4.2).
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 верхней области частот (500 кГц) принята вынужденно из-за возможных помех от высокочастотных устройств. При возможности ее следует выбирать в области от 100 до 500 кГц.

Таблица 4.3. Результаты измерений при оптимизации условий контроля трансформатора ТДЦ-400000/220

Примечание. Диапазоны Ш60 (15—60 кГц) и Ш1ОО0 (500—1000 кГц) — широкополосные.
Рассмотрим в качестве примера ход и результаты работ по оптимизации условий измерения ЧР в изоляции трансформатора ТДЦ-400000/220. Датчики были установлены на измерительных выводах ВН (точка 1), а также на шинах заземления нейтрали (точка 3) и бака (точка 5). Все результаты измерений и расчетов приведены в табл. 4.3. Эквивалентный уровень помех определялся по формуле (4.5).
Порядок измерений и записи результатов следующий:
градуировка отключенного трансформатора; градуировочные импульсы qr = 1 · 10-β Кл приложены ко вводу ВН (строки 1 и 2);
градуировка под напряжением через ввод ВН; приведено к q = 1 · 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 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 к 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).
В качестве примера влияния шунтирующего действия РУ на выбор частоты настройки приведем результаты измерения ЧР в автотрансформаторе АТДЦТН-200000/330 и в реакторе РОДЦ-750. Разряды в автотрансформаторе возникли при нарушении изоляции магнитопровода; искрение происходило при соприкосновении его с баком при вибрации. В реакторе разряды происходили между заземленным экраном обмотки и имеющим плавающий потенциал куском фольги — оторвавшейся частью экрана.

Рис. 4.11. Результаты измерений частичных разрядов:
-------- в реакторе РОДЦ-110000/750;--------- в трансформаторе АТДЦТН-200000/330.
Измерено на специальном выводе ввода ВН


Рис. 4.12. Эскиз тороидального экрана
Измерительный прибор был присоединен к специальному выводу ввода ВН (выводу ПИН). В качестве уровня помех приняты результаты измерений на другой фазе. Из графика (рис. 4.11) следует, что оптимальные частоты настройки прибора находятся в пределах 50—100 кГц. На низких частотах чувствительность снижается в 8—10 раз. На более высоких частотах снижение отношения сигнал/помеха (КС.п.) может быть объяснено передачей импульса ЧР по емкостным связям между шинами. При этом уменьшается возможность четкого выявления фазы с дефектом.
Современные шунтирующие реакторы имеют охватывающие обмотку симметричные экраны с выводами, которые обеспечивают возможность измерения ЧР в балансной схеме (каждый экран охватывает половину окружности обмотки). Это обеспечивает возможность значительного снижения уровня помех.
При измерении помех в схеме контроля реактора 750 кВ, находящегося под рабочим напряжением, получены следующие данные:

Значения эквивалентного уровня помех отнесены к q = 1 · 10-8 Кл. Измерения велись узкополосным (диапазоны У20—У150, где число означает частоту настройки в килогерцах) и широкополосным приборами (Ш60, частота от 20 до 60 кГц).
При последовательной схеме прибор включался в цепь заземления одного экрана; при балансной схеме — в цепи обоих экранов.
Полученные данные показывают, что балансная схема позволяет измерять ЧР под уровнем помех. При помехах около 3 · 108 Кл остаточный их уровень в балансной схеме, определяющий чувствительность к ЧР в главной изоляции реактора, не превышал 1 · 10-10 Кл.

Специальные испытания.

Повышение чувствительности методов измерений, необходимое для раннего выявления дефектов, связанных с процессами ЧР, может быть получено путем снижения уровня помех от короны. Для этого контролируемое оборудование выводится из работы и на нем устанавливаются дополнительные экраны. Иногда оказывается достаточным применение балансных схем.

Испытание силового трансформатора в режиме холостого хода [16] производится при установленных на вводах ВН и СН экранах, исключающих появление стримерных разрядов (рис. 4.12 и табл. 4.4). Ошиновка с этих вводов снимается.
Возбуждение трансформатора производится плавным подъемом напряжения со стороны НН при помощи выделенного генератора или соответствующего регулятора. Можно обойтись без регулировки напряжения, проведя измерения только при номинальном напряжении.
Измеряются помехи при отсутствии возбуждения трансформатора и уровень ЧР при подъеме и снижении напряжения. Напряжение изменяется ступенями 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,1  при выдержке на каждой ступени 5 мин.
При испытаниях на месте установки автотрансформатора АТДЦТН-125000/330 измерены следующие уровни помех:
до подъема напряжения (посторонние помехи) qn = 6 · 10-11 Кл;
при номинальном напряжении (холостой ход) qn = 7 · 10-11 Кл;
при работе в сети qn = 3 · 10-9 Кл.
Следовательно, описанная методика позволила повысить чувствительность измерений более чем в 40 раз.
При контроле блочных трансформаторов, возбуждаемых генератором блока, достигнуто снижение уровня помех только в 3 раза. Определяющими оказались помехи от системы возбуждения генератора и разрядов в токопроводе.
Контроль трансформаторов тока производится при напряжении, поданном от постороннего источника (испытательного трансформатора передвижной лаборатории). Возможна подача напряжения от системы шин распределительного устройства (одна фаза).

Рис. 4.13. Схема измерения частичных разрядов в трансформаторах напряжения:
по

1 и 2— объекты контроля (две фазы); 3 - измерительное устройство

Для испытаний объект расшиновывается на две фазы, выводы ВН которых соединяются, подается напряжение. При возможности регулирования напряжения измерения следует проводить при его подъеме и снижении ступенями по 0,2. Целесообразно провести три серии измерении, испытывая поочередно две фазы объекта (А-В; В-С и А-С).
Снижение уровня помех от короны в рассматриваемом случае достигается применением балансной схемы измерений. Установка дополнительных экранов, как правило, не требуется.
Трансформаторы напряжения также можно испытывать в балансной схеме. При этом объект контроля может быть и источником испытательного напряжения (рис. 4.13). Возбуждение подается со стороны вторичных обмоток.

Анализ результатов измерений.

Наиболее сложной проблемой, возникающей при эксплуатационном контроле оборудования, является идентификация явления, которое было зарегистрировано: ЧР в изоляции объекта или помехи. Сложность определяется тем, что подлежащие выявлению разряды по интенсивности близки к обычно имеющемуся уровню помех, причем оба явления имеют практически одинаковые внешние проявления.
Все многообразие явлений, с которыми можно встретиться при эксплуатационных измерениях ЧР, описать невозможно. Исходные положения для анализа можно сформулировать следующим образом: явления, происходящие одинаково на всех трех фазах, следует отнести к внешним помехам;
к помехам относятся редкие непериодические импульсы и импульсы, идущие несинхронно с напряжением сети;
непрерывная последовательность импульсов с неизменной амплитудой и частотой следования 50 или 100 импульсов в секунду - есть следствие пробоя искрового промежутка между двумя электродами.

Как правило, источники таких разрядов находятся вне изоляции объекта (их надо выявить), но не исключена возможность нахождения их в объекте контроля;
частичные разряды в изоляции могут проявляться как последовательность импульсов с достаточно стабильной амплитудой и частотой следования, кратной промышленной (иногда с очень большим количеством импульсов), или как серия нестабильных импульсов разных амплитуд. В последнем случае возможны очень высокие интенсивности (поверхностный разряд, предпробойные явления).
Большую помощь при анализе может оказать наблюдение при помощи осциллографа. Осциллограф должен быть синхронизирован с сетью, а длина осциллограммы (развертка) сделана равной одному периоду. На такой осциллограмме можно четко увидеть три всплеска помех от короны и наличие разрядов. Оцениваются амплитуда и фаза (момент) их возникновения.
При анализе результатов измерений необходимо учитывать степень загрязнения изоляции и влажность воздуха во время контроля. В зонах загрязнений уровень помех может быть высоким из-за интенсивных поверхностных разрядов по изоляции, особенно при повышенной влажности.
Следует учесть, что источниками высокого уровня помех могут быть система возбуждения генератора и некоторые технологические установки потребителей (например, электропечи).
Кроме поврежденной изоляции источниками разрядов в оборудовании могут быть некоторые дефекты, вызванные плохим монтажом или нарушениями контактов в токоведущих частях. Так, например, интенсивные разряды могут быть на незаземленных выводах ПИН или выводах для измерения tgδ вводов масляных выключателей и силовых трансформаторов. При обрыве выводов секций конденсаторов связи разряд может возникать в образовавшихся таким образом искровых промежутках. Интенсивные разряды могут быть в ослабленных контактных соединениях токоведущих частей и заземлений, в плохих контактных разъемах (выключателей, разъединителей, переключателей трансформаторов).
Перечисленные дефекты и аналогичные им представляют опасность для эксплуатации оборудования и должны выявляться и устраняться наряду с дефектами изоляции. Поэтому при анализе причин обнаруженных разрядов, которые по своему характеру не могут быть отнесены к разрядам в изоляции, необходимо учитывать возможность перечисленных выше и аналогичных им дефектов.