Стартовая >> Статьи >> Контроль изоляции высоковольтных вводов под напряжением

Контроль изоляции высоковольтных вводов под напряжением

высоковольтные вводы

Овсянников А.Г., Лазарев Е.А., Живодерников С.В.
(НСПБ «Электросетьсервис», Новосибирск)

Введение

В последнее время контролю состояния изоляции маслонаполненных вводов уделяется повышенное внимание. И это неудивительно. Статистика аварийных событий на ПС    маслонаполненного оборудования свидетельствуют, что около . 50% аварий такого вида оборудования являются следствием аварий вводов. В качестве примера приведём несколько выдержек из служебной записки одного из руководителей Сибирьэнерго Кучерявого О.А.
Служебная записка под названием: «О мерах по повышению надежности маслонаполненных высоковольтных вводов», составлена в январе 1998 г. и в ней приводятся анализ данных по аварийным событиям, зарегистрированным в течение 1997 г на территории Западной Сибири и Дальнего Востока. Далее по тексту курсивом приводятся некоторые выдержки из служебной записки.
«В 1997г. произошло 7 повреждений маслонаполненных вводов с бумажно-маслянной изоляцией. Это герметичный ввод 500 кВ на АТ-250 MBA на п/ст "Камала" (Красноярская ГРЭС-2) - автотрансформатор поврежден, ввод 220 кВ на выключателе (ЭРУ-220 Читинской ТЭЦ-1, ввод 110 кВ на выключателе п/ст "Тайшет"  Иркутскэнерго", ввод 220 кВ на выключателе п/ст "Холбон" в Читаэнерго, ввод 110 кВ трансформатора 10 MBA на п/ст "Мостовка"  в Бурятэнерго, ввод 220 кВ на ШСВ п/ст "Томская-500" Томскэнерго. Герметичный ввод 110 кВ на АТ-125 MBA на п/ст "Бачатская 200" в Кузбассэнерго. Два года назад поврежден герметичный ввод 110 кВ на блочном трансформаторе 200 MBA энергоблока ст. N 4 Красноярской ТЭЦ-2 и герметичный ввод 110 кВ АТ- 200 MBA на п/ст НКАЗ-11 220 кВ Кузбассэнерго».
Далее: ............  «При повреждении вводов трансформаторов повреждаются и сами трансформаторы, что и произошло на п/ст ".Камала" и Красноярской ТЭЦ-2. Раньше мы считали, что надежность вводов будет обеспечена при их герметизации. Как показала практика в масле таких вводов образуются органокислоты, дающие токопроводящие соединения с металлами ввода ("Электрические станции",Nr3,1995). Несмотря на выполнение требований норм испытаний и циркуляров продолжаются повреждения таких вводов».
Далее:........ «.оснастить в 1998-99 гг. высоковольтные маслонаполненные вводы блочных трансформаторов, трансформаторов и автотрансформаторов подстанций 500/220 кВ и 220/110 кВ устройствами автоматического непрерывного контроля и изоляции под рабочим напряжением. Это КИВ и измерение частичных разрядов».
Далее:......... «А сколько десятков миллионов рублей убытков может принести повреждение герметичного ввода 500 кВ, скажем, на блочном трансформаторе 1000 MBA Березовской ГРЭС-1, включая изготовление нового трансформатора и, как минимум, годовой простой энергоблока 800 МВт? Уже два года стоит энергоблок ст. N4, 160 МВт на Красноярской ТЭЦ-2 из-за повреждения его трансформатора 200 MBA, вызванного взрывом герметичного ввода 110 кВ, прошедшего в срок все нормативные измерения и испытания».
К информации, приведенной в служебной записке добавить, по существу, практически нечего. Исключение разве лишь составляет желание выделить то обстоятельство, что аварии с высоковольтными вводами связаны не с нарушениями регламентируемых сроков проведения профилактического обследования маслонаполненного оборудования, а причиной аварий является несовершенство существующего комплекта измерительно-диагностической аппаратуры, норм и методов обследования изоляции высоковольтных вводов. Один из вариантов повышения надежности контроля состояния изоляции вводов рассматривается в служебной записке (см. подчеркнутое жирным курсивом). Бесспорным в выделенном абзаце является необходимость перехода к непрерывному во времени режиму контроля состояния изоляции вводов, т.е. к мониторинговой системе контроля её состояния. Предлагаемая в цитируемом абзаце система мониторинга характеристик частичных разрядов не является единственной, тем более, что нет нормируемых критериев дефектировки вводов по уровню измеренных в них частичных разрядов. Кроме того, существуют технические и методические трудности, связанные с «отделением» ЧР во вводе от ЧР в объеме трансформатора. По этой причине, имея полную солидарность с автором служебной записки относительно необходимости введения мониторинговой системы контроля изоляции вводов, авторы работы считают, что необходимо искать более простые, но в то же время информативные характеристики (или параметры) изоляции вводов, непрерывный во времени контроль которых позволил бы иметь оперативную информацию по текущему состоянию изоляции вводов.
Несколько лет назад АО ОРГРЭС разработал и провел эксплуатационные испытания устройств для периодического контроля изоляции вводов, основанные на двух методах: мостовом (ММ) и неравновесно-компенсационном (НКМ). Контролируемыми параметрами являются изменения диэлектрических характеристик: в ММ- Atg δ и АС, в обоих методах - обобщённый параметр у. Методика измерений и браковочные критерии представлены в разделе 1 «Сборника методических пособий по контролю состояния оборудования электрических сетей», выпущенном СПО ОРГРЭС в 1996 г. Оба метода имеют свои недостатки: погрешность ММ может быть недопустимо высокой при увлажнении покрышек вводов осадками. НКМ в тех же условиях дает меньшую погрешность, но имеет свои погрешности при перекосе фаз и неравенстве фазных напряжений, не различает характера дефекта и дефектного ввода в группе. Одновременное использование обоих методов отчасти компенсирует указанные недостатки. Система непрерывного контроля или мониторинга состояния вводов предпочтительнее периодических инспекций из-за быстротечности развития дефектов.
Метод регистрации частичных разрядов (ЧР) мог бы стать более чувствительным инструментом в диагностике изоляции вводов, но сегодня отсутствуют надежные способы разделения ЧР во вводах и ЧР в изоляции (авто)трансформаторов или реакторов, на которых эти вводы смонтированы. Меж тем критерии опасности различаются более чем на порядок: в трансформаторах допускаются ЧР с кажущимся зарядом до 3 нКл при наибольшем рабочем напряжении, а во вводах до 0,05-0,1 нКл. Мешает и высокий уровень помех. Однако, если использовать все наработанные способы селекции от помех, реализованные в сложной электронной аппаратуре и специальном программном обеспечении, то можно уверенно регистрировать ЧР с интенсивностью порядка 1 нКл и выше /1/. Если использовать более простые и дешевые устройства, например, стандартные запоминающие осциллографы или пиковые детекторы, без схем подавления помех, то можно регистрировать ЧР с уровнем порядка 10-100 нКл, т.е. только в предаварийном состоянии контролируемого ввода. Нельзя также забывать и о том, что при общем ухудшении состояния изоляции ввода и большом среднем токе ЧР (т.е. большой частоте повторения), этот процесс проявляет себя и в повышении tg δ.

Описание системы

В своей основе предлагаемое решение базируется на одновременном использовании методов ММ и НКМ. Основное различие состоит в способе обработки первичной информации. В предлагаемой системе функция измерения первичных Сигналов поручена цифровому осциллографу, собранному на основе персонального компьютера. Дальнейшая обработка и анализ полученной информации проводится тем же компьютером. Конструктивно СКЙВ состоит из следующих блоков (рис.1): -герметизированной и защищённого от внешних воздействий устройства присоединения к объекту (УПО), которое размещается на вводе трансформатора в местонахождения ПИНа (рис.2). В внутренней полости УПО смонтированы измерительное сопротивление и защитный разрядник с напряжением срабатывания Ucp<300B. Вывод измеренного сигнала из УПО производится через герметизированный кабельный выход; -узла групповой коммутационной сборки (ГКС), выполненного в металлическом герметизированном корпусе (рис.З).
Функциональная схема СКИВ
УПО - устройство присоединения к объекту;
ГКС - групповая коммутационная сборка;
ЦО - цифровой осциллограф Lab-Master в 4-х канальном режиме; УР - управляющий регистр;
ОС - опорный сигнал (от ТН).
Функциональная схема СКИВ.
Рис.1

Три трансформатора гальванической развязки, относящиеся к каждому из контролируемых вводов. Кроме того в корпусе ГКС размещаются три пиковых детектора, предназначенные для контроля частичных разрядов в каждом вводе. Внутри корпуса размещаются и разъёмы для коммутации с внешними кабельными трассами. Такое размещение разъёмов сделано для придания большей механической прочности местам коммутационных соединений с ГКС и защиты разъёмов от внешних атмосферных воздействий, поскольку большинство разъёмов серийного производства рассчитаны на эксплуатацию в производственных помещениях. Ввод и вывод сигналов в (от) ГКС производится кабелями через герметизированные кабельные выводы.
Сигналы с вторичных обмоток трансформаторов передаются по контрольным кабелям витыми парами на ОПУ подстанции. Коммутатор поочередно подключает датчики токов утечки всех вводов попарно с опорными сигналами от вторичных обмоток трансформаторов напряжения одноименных фаз на соответствующие входы цифрового осциллографа. Результаты измерений заносятся в память компьютера. Алгоритм обработки измеренной информации включает в себя корректировку результатов измерений с учетом набега фаз в сигнальных цепях и внешних наводок, вычисление неравновесного сигнала от трех вводов каждой группы, tgd и С каждого ввода. Далее полученные результаты сравниваются с исходными и предыдущими значениями тех же характеристик, вычисляются искомые параметры: Atg&tg δ, Л С/С и обобщённый параметр у. Проводится сравнение указанных параметров с допустимыми значениями, и в случае превышения нормы выдается предупредительный сигнал. Для повышения помехоустойчивости предусмотрен ряд технических и вычислительных мероприятий.
Пиковые детекторы, размещенные в ГКС, преобразуют импульсные сигналы ЧР длительностью около 30-50 не в более длинные импульсы, которые также с помощью витых пар контрольных кабелей поступают на коммутатор и на сравнивающее устройство цифрового осциллографа, которое в этом случае работает в режиме, аналогичном описанному выше.
Необходимо отметить, что в данном случае по причинам, описанном выше во введении, пиковые детекторы нельзя рассматривать, как достаточно помехоустойчивые приборы, и данный вид контроля состояния изоляции вводов можно рассматривать только как дополнительный, подтверждающий возможное изменение tg δ и повышающий достоверность контроля.

  1. Программное обеспечение.

Для определения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции вводов высокого напряжения трансформаторов при мониторинге сигнала с контрольного вывода (ПИНа) с использованием цифрового осциллографа на основе персонального компьютера предназначена программа «Вектор».
В общем случае ее задача сводится к следующему:
-имеется сигнал, который является суперпозицией активного тока проводимости изолятора и тока смещения через ёмкость контролируемого ввода высокого напряжения в трансформатор;
-вторым обязательным условием является наличие сигнала произвольной амплитуды, жестко привязанного к фазе контролируемого ввода, например, к вводу фазы А (В, С), далее именуемым опорным напряжением фазы А (В, С);
-задачей является определение амплитуды и фазы регистрируемого сигнала относительно опорного напряжения;
-из теории спектрального анализа решением этой задачи является интеграл Фурье для первой гармоники исследуемого сигнала;

(1)
где Т-время наблюдения;
Us- измеряемый сигнал;
Uo - опорное напряжение;
Usy-резулыпат, представляющий комплексную величину, модуль которой является амплитудой исследуемого сигнала, а фаза является, соответственно, сдвигом фаз между исследуемым сигналом и опорным напряжением.

Векторная диаграмма результата измерения.
Рис.4
На векторной диаграмме (рис.4) в векторной форме представлен результат измерения, где Uss- проекция вектора на ось ординат, Usc- проекция на ось абсцисс. Физически этот принцип реализуется при помощи двух синхронных детекторов с интеграторами на выходе, опорные напряжения которых сдвинуты по фазе на 90° друг относительно друга (рис.5).

(р -сдвиг фазы относительно опорного напряжения U0. ?:
Схема блока обработки входного сигнал4.
Рис.5
Искомая амплитуда исследуемого сигнала в предположении единичной амплитуды опорного напряжения определяется из соотношения:                                                                                

В случае, если амплитуда опорного сигнала отличается от единичного, то необходимо выполнить нормировку As/A0.
Исходные данные представляются в виде двух осциллограмм, исследуемого сигнала и опорного напряжения, представленные в памяти компьютера в виде двух числовых массивов, каждый элемент которого соответствует измеренному в данный момент напряжению обоих сигналов.

На первом этапе из осциллограммы опорного напряжения под программой PILOT получается два массива, характеризующие сигналы единичной амплитуды, сдвинутые по фазе на 90°. Далее, подпрограмма TANG используя осциллограмму исследуемого сигнала и два полученных массива, вычисляет, соответственно, две ортогональные составляющие исследуемого сигнала. Полученные сигналы подпрограммой GRAF отображаются на экране в виде вектора на фазовой плоскости (рис.6).
Процедура взятия интеграла в формуле (1) сводится к сумме произведений элементов соответствующих массивов:

где N- длина массива.
Usn - элементы массива осциллограммы;
Uso - элементы вычисленного массива двух ортогональных составляющих опорного напряжения.
Кроме того, программа позволяет вывести на экран сами осциллограммы исследуемого сигнала и опорных напряжений (рис.7), (программа MARK с возможностью масштабирования во времени, а также подпрограммы, работающими с архивами (программы READ_ARJ, WRITEARJ), которые позволяют записывать на диск и читать с диска полученные осциллограммы.
Интерфейс программы «Вектор»
Интерфейс программы «Вектор» для визуализации полученных
данных.
(В скобках рядом с каждой фазой указано значение tg δ в определенный
момент времени),
Рис.6
Программа «ЧР» для сравнения сигналов ЧР от пиковых детекторов с допустимыми значениями достаточна проста и не нуждается в каком- либо дополнительном описании.

Примерный вид осциллограмм сигналов одной из фаз и опорного
напряжения,
Рис.7

Заключение

В настоящее время отдельные блоки системы СКИВ прошли тестовые испытания, и ведется сборка всей системы на ОРУ 110-220 кВ Беловской ГРЭС АО «Кузбассэнерго». Первая очередь системы будет охватывать восемь трансформаторов 110-220 кВ. Будет произведена настройка системы, запуск в работу, после чего могут быть внесены корректировки как в электротехническую часть СКИВ, так и в программное обеспечение, если опыт эксплуатации покажет такую необходимость.

Список использованных источников.

  1. Вдовико В.П., Овсянников А.Г., Поспелов А.И. Диагностика электрической изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением // Энергетик, 1995, №10. - с. 16-18
 
« Контроль аккумуляторных батарей на энергообъектах   Контроль качества и испытания высоковольтных выключателей АББ »
электрические сети