Измерение частичных разрядов при выявлении дефектов

В.И. Благодырев, А.А. Макаров, А.В. Никитин, В.Е. Пильщиков,
В.Ф. Цалко (ЦПРП ОАО «Ленэнерго», СПбГТУ)

В настоящее время перед ремонтными предприятиями существует актуальная проблема сокращения производственных затрат и сроков проведения ремонта при одновременном повышении качества и производительности труда. Поэтому постоянно ведется поиск новых эффективных методов оценки состояния оборудования и выявления дефектов изоляции. Ниже изложены предварительные результаты использования метода регистрации частичных разрядов (ч.р.) для выявления дефектов изоляции силовых трансформаторов и высоковольтных вводов.
Измерения ч.р. выполнялись в соответствии с рекомендациями литературы [1] и нормативными документами [2,3]. Методика проведения измерений подробно изложена в [4]. Измерения выполнялись на силовых трансформаторах, планируемых к ремонту, на месте их установки, а также на вводах и трансформаторах после ремонта на испытательном стенде трансформаторного электроремонтного завода (ТЭРЗ). Измерения выполнялись двумя методами: электрическим и акустическим. Место и способ установки электрического и акустического датчика пояснены на рис. 1. Чувствительность электрического канала по кажущемуся заряду ч.р. определялась в соответствии с [2] параллельным способом градуировки. Чувствительность акустического канала определялась достаточно приближенно методом сравнения реакции двух каналов (акустического и электрического) на один дефект (ч.р. в масле на поверхности бумаги) с амплитудой ч.р. 100 ... 1000 пКл при расстоянии от дефекта до места установки акустического датчика на стенке бака ~ 0,3 м. Во всех измерениях использовался один акустический датчик, чувствительность которого оставалась неизменной и периодически контролировалась. При измерениях фиксировалось количество импульсов ч.р. за 1 с, превышающих заданный порог чувствительности срабатывания счетчика импульсов. Варьируя порог срабатывания, измерялся интегральный амплитудный спектр ч.р. в виде зависимости N(Q). Контроль за фазовым распределением и формой импульсов ч.р. производился периодически с помощью цифрового осциллографа на базе персонального компьютера. По каждому месту установки датчика, в дальнейшем именуемому точкой измерений, строился интегральный амплитудный спектр ч.р. N(Q) и рассчитывался суммарный ток ч.р. (1сум). Результаты обследования каждого объекта оформлялись в виде протокола с анализом полученных данных и заключением, содержащем выводы и рекомендации. Отметим что, спектр ч.р. содержит достаточно большой объем полезной (диагностической) информации. Ниже, для простоты изложения анализируются только два диагностических показателя: максимальный кажущийся заряд ч.р. (Qm) и суммарный ток ч.р. (1сум).

Вид сверху на акустический датчик в месте установки

Схема подключения электрического датчика к ПИНу высоковольтного ввода трансформатора.

РИС. 1.

Результаты определения минимального, максимального и среднего значения этих показателей по всем точкам измерений представлены в табл. 1.
Табл.1.
Обработка данных по всем точкам измерения.

Как видно из табл.1, динамика изменения максимального заряда ч.р. по электрическому каналу (от 62 до 24000 пКл) превышает динамику изменения максимального заряда ч.р. акустического канала (от 200 до 10000 пКл). Ток ч.р., измеренный электрическим методом, представляет вполне реальную величину от 0,3 до 390 мкА.
При дальнейшем анализе полученных данных мы исходили из следующих соображений. Значения Qm и 1сум, получаемые в конкретной точке измерений, безусловно являются величинами случайными, определяемыми достаточно большим количеством также случайных факторов (локальная влажность изоляции, неоднородность электрического поля, температура и т.д!). Поэтому, согласно теории математической статистики, а именно центральной предельной теореме, распределение Qm и 1сум следует ожидать нормальным
F(Qm) = Ф((Qм - Qmcp)/6),                                                                        (1)
где F(Qm) - вероятность обнаружения Qm больше заданного значения;
Ф - символ функции Гаусса;
QMcp - среднее значение Qm;
б - среднеквадратичное отклонение Qm.
Если найти аргумент функции Гаусса от левой и правой части уравнения (1), то получим
arg Ф(F)=Qм/б - QMcp/б                                                                                   (2)
Уравнение (2) можно записать в виде: у=а*х + b, т.е. в виде уравнения прямой линии, где
у= arg Ф(Р), x=Qm, а—1/6, b=- QMcp/б
Г рафик с координатами y=arg O(F) и линейной осью абсцисс носит название - нормальная вероятностная бумага.
Если рассматриваемая выборка случайной величины принадлежит одной генеральной совокупности, то полученные экспериментальные значения должны укладываться на прямую линию на нормальной вероятностной бумаге. Такое распределение Qm будет соответствовать нормальному естественному процессу старения изоляции. Если в области наибольших значений Qm наблюдается отклонение экспериментальных значений в сторону больших величин, то это будет указывать на наличие дефекта в этих точках измерения.
Аналогичные рассуждения применимы и к случайной величине 1сум.
Проанализируем полученные данные, исходя из вышеприведенных соображений. Распределение Qm, полученное электрическим методом измерений, представлено на рис. 2. Из рис. 2 видно, что 9 последних точек можно выделить из общей совокупности данных и, в первом приближении, считать, что в этих точках обнаружены дефекты в явном виде. Характеристики этих точек измерения представлены в табл. 2. Как видно из таблицы, во всех 9 точках было отмечено (по протоколам) наличие дефектов изоляции высоковольтных вводов. По большинству случаев был произведен ремонт вводов в заводских условиях с обнаружением развивающихся дефектов на различной стадии. Ползущий разряд, развивающийся по осадку на поверхности нижней фарфоровой покрышки вследствие образования осадка, обнаружен во вводах с маслом Т-750, точки 5, 6, 7, 9. Во вводах с маслом ГК (точки 1,8) обнаружены следы развивающегося разряда в верхней части ввода преимущественно по поверхности изоляционного остова в районе уступа. Обшей чертой этих вводов являлась неисправность указателей давления. Вводы (точки 2, 3, 4) негерметичные и имеют высокий уровень ч.р. из-за увлажнения изоляции, на что дополнительно указал повышенный тангенс угла диэлектрических потерь; по организационным соображениям ремонт запланирован только на весенне-летний период 2000 г. Процедуру первого выявления аномалий в распределении F(Qm) можно условно назвать выявлением дефектов первой очереди. Если из выборки Qm исключить точки выявленных дефектов, то можно приступить к определению (в той же последовательности) менее опасных дефектов второй очереди и т.д.
Как видно из представленных данных, максимальное значение кажущегося заряда ч.р. Qm, измеренное электрическим методом, обладает хорошей диагностической информативностью и, судя по нашим данным, позволяет выявлять дефекты, в первую очередь, в высоковольтных вводах. Можно отметить, что для обследуемого оборудования «нормальным» уровнем ч.р. является диапазон от 0 до 2500 пКл по основной изоляции; для высоковольтных вводов браковочный уровень - 400 ... 500 пКл.

Распределение суммарного тока ч.р., измеренного электрическим методом, представлено на рис. 3. Видно, что 4 последних точки выделяются из общей выборки. Характеристики 4 точек наибольшего тока ч.р. представлены в табл. 3; можно отметить, что все точки измерения уже встречались в табл. 2.
Распределение максимального кажущегося заряда по точкам измерения, Электрический метод. Нормальная вероятностная бумага.

Qm, лКп Рис. 2.

Табл. 2.
Характеристика 9 точек наибольшего кажущегося заряда. Электрический метод измерения.

1сум, мкА Рис. 3.

Табл. 3.
Характеристика 4 точек наибольшего тока ч.р. Электрический метод.

Следовательно параметр 1сум по электрическому каналу измерений, во-первых, хорошо дополняет параметр Qm и, во-вторых, несколько более консервативен. Величина браковочного значения 1сум по представленным данным (см. рис. 3) находится в диапазоне 40 ... 60 мкА. Если все
ч.р. формируются только во вводе, то браковочное значение 1сум соответствует тангенсу угла диэлектрических потерь ввода 0,015 ... 0,055 % под рабочим напряжением; эти цифры свидетельствуют о низкой возможности прямого обнаружения подобных дефектов при измерениях комплексной проводимости или диэлектрических потерь под рабочим напряжением.
Распределение Qm, полученное акустическим методом измерений, представлено на рис. 4.
Распределение максимального кажущего ч.р. по точкам измерений. Акустический метод. Нормальная вероятностная бумага

Ом, пКл Рис. 4.

Табл. 4.
Характеристика 1 точки наибольшего кажущегося заряда. Акустический метод.

Видно, что только одна точка выделяется из представленной выборки данных; характеристика точки приведена в табл. 4. Большое значение Qm в точке 1 (табл. 4) не подтверждено электрическими измерениями, т.е. дефект имеет значительную акустическую окраску; это может быть связано, например, с формированием сравнительно небольших ч.р. в замкнутом ограниченном пространстве с хорошими резонирующими свойствами. Как видно из представленных данных (см. рис. 4), значение Qm по акустическому каналу собственной диагностической ценности почти не имеет. Однако эта величина выполняет важную роль при локации места положения дефекта, хорошо дополняя результаты электрических измерений. Из представленного анализа можно так же сделать вывод о необходимости более точного измерения значения Qm акустическим методом.
На рис. 5 представлено распределение 1сум, полученное акустическим методом измерений. Из представленной на рисунке выборки можно выделить 7 точек наибольшего тока ч.р., относящихся к дефектам первой очереди; характеристики точек представлены в табл. 5. Данные, представленные в таблице нуждаются в детальном анализе. Точка 1 уже упоминалась ранее (см. табл. 4) и в дополнительных комментариях не нуждается. Точки 3, 6, 7 уже встречались в табл. 2 при анализе результатов электрических измерений. Если исключить возможность случайного совпадения 3 точек акустических и электрических измерений, то следует сделать достаточно парадоксальный вывод о возможности акустического датчика чувствовать ч.р. во вводах (на внутренней поверхности нижней фарфоровой покрышки), при установке датчика в верхней части бака трансформатора. Этот вывод нужно сделать и учитывать в дальнейшей работе. Остальной материал нуждается в проверках и теоретическом анализе. По представленным данным видно, что величина тока ч.р., измеренная акустическим методом, представляет, во-первых, самостоятельную диагностическую ценность и, во-вторых, хорошо дополняет электрические характеристики ч.р.
В настоящее время проводится накопление базы данных по трансформаторам и вводам, прошедшим капитальный ремонт в заводских условиях. По предварительным данным небольшого объема можно отметить следующее: 1) аппараты после ремонта не содержат ч.р. с параметрами Qm и 1сум выше браковочных значений; 2) уровень ч.р. в среднем снижается в 1,5 ... 2 раза; 3) бездефектные аппараты со сравнительно небольшим сроком службы после ремонта при рабочем напряжении, как правило, вообще не имеют ч.р.
В заключении нужно отметить, что для успешного использования метода измерения ч.р. требуется повышение общей технической культуры обслуживания ЛЭП, обследуемого аппарата и подстанции (станции) в целом. Своевременное устранение очагов импульсной короны, замена дефектных изоляторов и другие мероприятия, улучшающие электромагнитную обстановку, существенно облегчат проблему внедрения достаточно эффективного метода измерений в практику.
Распределение тока ч.р. по точкам измерений. Акустический метод. Нормальная вероятностная бумага.

(сум, мкА Рис. 5.

Табл. 5.
Характеристика 7 точек наибольшего тока ч.р.(акустический метод).

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы.

1. Установлена практическая возможность измерения характеристик ч.р. в полевых и заводских условиях. Информация, получаемая при измерениях ч.р., хорошо дополняет другие методы контроля состояния изоляции. Вскрытие забракованных изделий, в основном, подтверждает правильность поставленного диагноза.
2. Предложен новый (статистический) подход к выбору оптимальных диагностических параметров и проведена оценка диагностической ценности таких показателей, как максимальный кажущийся заряд и суммарный ток ч.р. Предложены ориентировочные браковочные значения этих величин.
3. Внедрение метода регистрации ч.р. в практику контроля качества ремонта маслонаполненного оборудования является нужным и полезным мероприятием, обеспечивающим высокую надежность работы аппаратов.

Литература

1. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия. Ленингр. отделение, 1979.
2. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения частичных разрядов.
3. ГОСТ 21023-75. Трансформаторы силовые. Методы измерения характеристик частичных разрядов при испытаниях напряжением промышленной частоты.
4. Пильщиков В.Е. Измерение частичных разрядов в силовых трансформаторах под рабочим напряжением. В сб. «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Выпуск 5. Современные проблемы оценки состояния и обслуживания маслонаполненного оборудования».-СПб.: Изд-е ПЭИПК, 1997.