Проблемы оценки состояния изоляции при контроле частичных разрядов

Овсянников А.Г. (БП «Электросетьсервис», Новосибирск)

Одним из перспективных методов диагностики внутренней изоляции высоковольтного энергетического оборудования признан метод регистрации интенсивности частичных разрядов (ЧР). Нормы на предельно допустимые величины кажущегося заряда ЧР введены в практику заводских приемочных испытаний силового трансформаторного оборудования, вводов, трансформаторов тока, ограничителей перенапряжения и т.д. Метод начинает также внедряться в эксплуатации для целей профилактического контроля изоляции оборудования под рабочим напряжением. Если ЧР регистрируются электрическим способом, то, проведя градуировку, несложно сопоставить величины максимального кажущегося заряда Qqp с результатами заводских измерений и оценить текущее состояние изоляции. Следует отметить, что нормы на предельно допустимые значения Q4p в для оборудования, отработавшего некоторый срок еще не введены, и сравнение с исходными данными завода - изготовителя остается единственной альтернативой при оценке состояния изоляции по регистрируемым характеристикам ЧР.
Главной проблемой в практической реализации электрического способа регистрации ЧР справедливо считается обеспечение достоверности измерений их сигналов на фоне множества помех: короны, несущих частот ВЧ -связи, эфирных наводок от телевизионных и радиостанций, электросварки и др. Защиту от помех производят соответствующим подбором частотных характеристик аппаратуры и фазовых окон измерений. Дальнейшую селекцию сигналов ЧР в общем массиве данных можно производить по определенным алгоритмам, которые реализуются в программе компьютерной обработки результатов измерений.
Однако и в случае удачного решения проблемы защиты от помех для проведения корректного диагноза состояния сложных или комбинированных изоляционных конструкций требуется точно знать, где расположен очаг ЧР. Обычно, необходимость локации места расположения очага ЧР связывают с проблемой затухания сигналов на пути их распространения к точке измерений.
например, в обмотке трансформатора. Но до выполнения этой аналитической операции нужно еще разделить общий массив данных по ЧР на две составляющих: сигналы от разрядов, возникающих в изоляции ввода и в изоляции обмоток трансформатора. Дело в том, что нормы на допустимые значения Qqp в изоляции трансформаторов (0,3...3) нКл почти в 30 раз выше чем для вводов (10...100) пКл. Основными же местами включения измерительных шунтов в схемах регистрации ЧР являются выводы ПИНы вводов. Поэтому измеряемые на них сигналы ЧР могут иметь своим происхождением обе изоляционные конструкции. Локацию очагов ЧР с требуемой пространственной разрешающей способностью электрическим методом осуществить невозможно. Непросто это сделать и акустическим или электромагнитным СВЧ-методами регистрации ЧР. Поэтому даже опытному эксперту трудно анализировать результаты измерений интенсивности ЧР и правильно оценить состояние изоляции.
Приведенные ниже расчеты переходных процессов в схемах замещения изоляции с источником ЧР показывают, какие следствия может иметь незнание места расположения источника ЧР.
3
Рис.1

Расчетные схемы замещения силового трансформатора с вводом при регистрации сигналов ЧР

Расчеты проводились на ПЭВМ по программе “NL” для трех схем (рис.1), соответствующих двум разным местам расположения очага ЧР. Действие ЧР имитировалось классической трехемкостной схемой замещения с ключом и разрядным сопротивлением. Параметры ее элементов (табл.1) подбирались таким образом, чтобы истинный заряд и энергия, а также длительность ЧР оставались практически постоянными во всех расчетных случаях.
В схемах 1 и 2 очаг ЧР размещен в изоляции ввода. Для демонстрации шунтирующей роли выравнивающих обкладок (см. ниже) в схеме 1 ввод предполагается выполненным без них, но с емкостью, близкой к реальному значению емкости основной изоляции ввода С1. В схеме 2 очаг ЧР помещен внутрь изоляции одной из пар выравнивающих обкладок ввода 500 кВ с общим количеством обкладок 30 и одинаковой между всеми обкладками емкостью слоя изоляции С’ =18 нФ. В схеме 3 ЧР «горят» в главной изоляции трансформатора.
Расчетные осциллограммы сигналов ЧР изоляции ввода и трансформатора

Рис. 2

Параметры элементов расчетных схем

*- в схеме 2 U = 30 о.е.
Результаты расчетов приведены на рис. 2. Осциллограммы напряжения на стенках включения (U PD ) до и в момент возникновения ЧР (10 не) одинаковы во всех случаях, поэтому приведены один раз. Маркерами указаны максимальные значения измеряемых сигналов ЧР (Uoul). Максимумы достигаются через 1,11 не с момента включения ключа, имитирующего ЧР. Сравнение схем 1 и 2 показывает, что введение очага ЧР между выравнивающими обкладками снижает сигнал ЧР в 30 раз по сравнению с гипотетическим случаем выполнения изоляции ввода без обкладок. Сопоставление схем 2 и 3 приводит к выводу, что сигналы ЧР в главной изоляции трансформатора почти в 4 раза меньше при выбранной емкости обмотки, чем сигналы от ЧР в изоляции ввода и имеют разную полярность. Если емкость обмотки увеличить, то соотношение сигналов ЧР станет меньшим и наоборот.
Рассмотрим аналогичные схемы (рис.З) с трансформаторами тока ТФРМ - 500, где как и в вводах используется бумажно-масляная изоляция конденсаторного типа. В схеме 1 очаг ЧР помещен между парой обкладок, а в схеме 2 - на первичной обмотке. В них действие ЧР имитируется так же, как и в приведенных выше схемах на рис.1. Те же энергетические параметры заложены и для положительной стримерной короны (схема 3, а), но выбор постоянной времени разрядки емкости т =Сс * Rch = (С’с + С”с) * Rch подбирался, исходя из общей длительности вспышки короны (Т сог =100 не): = 3 кОм и т = 30 не. В схеме, приведенной на рис. 3,6 условно действует напряжение отрицательной полярности и очаг ультракороны с энергетическими и временными характеристиками, одинаковыми с ЧР, возникающими в отрицательный полу период напряжения.

Схемы регистрации ЧР в ТФРМ 500 (расчетный вид)

Таблиг{а 2
Параметры элементов расчетных схем регистрации ЧР в ТФРМ -500

*- в схеме 1 U = 15 о.е.
Результаты расчетов приведены на рис. 4. Соотношение амплитуд
сигналов в схемах 1..3 составляет примерно 1: 15: (32,5 для схемы 3,а и 14,4 для
3,6). Более резкая зависимость величины сигнала от места возникновения ЧР

Рис. 4
объясняется меньшей, чем в силовых трансформаторах емкостью связи, т.е. емкостью экрана и бака на землю. Меньшая постоянная времени спада сигнала ЧР и ультракороны обусловлена меньшей, чем в случаях с ПИН вводов величиной емкости в измерительном тракте. Отметим еще раз различие полярности сигналов ЧР и короны обоих видов.
Прежде чем перейти к выводам, оговоримся о некоторых допущениях и упрощениях в расчетных схемах по отношению к реальным схемам регистрации ЧР в рассмотренных объектах. Наиболее существенное упрощение - это отказ от учета частичных емкостей краев обкладок и манжет, устанавливаемых между обкладками в изоляции вводов и трансформаторов тока. Полная схема должна была бы содержать матрицу емкостей этих элементов на землю и друг с другом. Второе упрощение - игнорирование реакции обмоток (индуктивного характера) на форму и величину сигналов ЧР. Немалую роль имеет также процесс подпитки заряда емкости контролируемых объектов шинами ОРУ и емкостями соседнего оборудования. Подзарядка емкостей от внешних цепей может дать существенный вклад в форму и величину сигнала на стадии волновых процессов, но отношение сигналов при разных позициях очага ЧР изменится незначительно. В дальнейшем планируется провести более строгий учет всех указанных факторов.
Самый общий в методическом плане вывод, который можно сделать из полученных расчетных результатов, имеет весьма огорчительный характер для практической диагностики оборудования, имеющего сложную конструкцию изоляции, и особенно в том случае, если контролируется оборудование с изоляцией конденсаторного типа. Зависимость сигналов ЧР от места расположения их очага практически исключает возможность оценки состояния изоляции без тщательной расчетной корректировки результатов измерений, в свою очередь, требующей точного знания места возникновения ЧР.
К числу положительных выводов можно отнести следующее. Известные фазовый и частотный способы селекции целесообразно дополнить способом селекции по полярности сигналов, крайне необходимым для селекции импульсов тока ЧР от импульсов тока Тричелевской короны. Результаты расчетов наглядно демонстрируют эффективность этого метода селекции.
Далее, несмотря на то, что расчеты были проведены в относительных единицах напряжения, из анализа их результатов можно легко увидеть преимущества максимально широкой полосы частот схемы регистрации ЧР. Чем выше верхняя граница полосы частот, тем больше амплитуда сигнала; чем шире вся полоса, тем более достоверно передается форма сигнала, а по ней точнее определяется природа сигналов и место расположения их источника.
В заключение автор представляет на суд читателя еще два суждения. Первое касается уже упоминавшегося резкого различия в нормах на допустимый кажущийся заряд ЧР в изоляции силовых трансформаторов и вводов (а также трансформаторов тока). Несмотря на существенное различие в конструкциях, в своей основе материалы в них содержат одинаковые органические компоненты: целлюлозу и масло. Поэтому логично было бы предположить, что ЧР одной и той же энергии одинаково опасны для изоляции обоих видов объектов. Справедливость норм на предельные значения Qqp вряд ли стоит подвергать сомнениям, т.к. они подтверждены многолетним опытом производства и испытаний оборудования. Чем же объяснить столь существенное расхождение норм на интенсивность ЧР в трансформаторах и вводах? Сравнение приведенных расчетных величин сигналов дает простой ответ на этот вопрос: в изоляции конденсаторного типа сигналы ЧР, возникающих между выравнивающими обкладками, значительно ослабляются по пути к точке измерений (ПИН вводов или нулевая обкладка ТФРМ). Ослабление происходит за счет замыкания импульсного тока ЧР в емкости между двумя обкладками. Поэтому при одинаковом истинном заряде и энергии ЧР в изоляции конденсаторного типа сигналы ЧР значительно ослаблены, что и объясняет, наряду с другими факторами (малый объем и слабая циркуляция масла, герметичность конструкции), жесткость норм на величину кажущегося заряда ЧР в оборудовании с изоляцией конденсаторного типа.
Второе замечание касается вопроса о метрологических испытаниях аппаратуры для измерений ЧР. В условиях огромной неопределенности в результатах измерений, обусловленной, в том числе, и вариацией места расположения источника ЧР, требования к классам точности аппаратуры представляется избыточным. Таким образом, аппаратуру для регистрации ЧР надо относить к классу индикаторных устройств, а в основной энергетической характеристике ЧР, т.е. кажущемся заряде, надо усилить заложенный в самом его названии смысл случайной величины.