Разработка системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по характеристикам частичных разрядов

Разнообразные полимерные материалы в наши дни нашли, как в России, так и за рубежом широкое применение в электроэнергетике: изоляция кабелей, обмоток трансформаторов и электромашинопорные, подвесные и проходные изоляторы [1−3]. В процессе эксплуатации, вследствие длительного воздействия рабочего напряжения в сочетании с определенными факторами окружающей среды (солнечная радиация, температура, влажность, загрязнение поверхностей, механические напряжения и т. д.), снижается электрическая прочность изоляции, что в конечном итоге может приводить к возникновению дефектов, которые для полимеров чаще всего имеют вид древовидных каналов-дендритов. В конечном итоге такой процесс может привести к частичному или полному разрушению изолирующих материалов [4].

Зарождение дефектов сопровождается нарушением сплошности материала и характеризуется электрическими (частичные разряды), акустическими, тепловыми и оптическими эффектами, что позволяет с помощью различных физических методов регистрировать начальную фазу зарождения дефектов. Особенно важным моментом является изучение характеристик частичных разрядов (ЧР), поскольку в полимерах, в отличие от других типов диэлектриков, дальнейший рост дефектов происходит под действием ЧР на каналы дендритов. Таким образом, рост дендритов и параметры ЧР (интенсивность, частота повторения) являются взаимосвязанными процессами, приводящие в конечном итоге к пробою изоляции вследствие перекрытия межэлектродного промежутка дендритом.

Как показали предыдущие теоретические и экспериментальные исследования процессов электрического пробоя высоковольтных изделий, для полимерных материалов можно условно представить несколько видов пробоев, наиболее характерных для всех типов оборудования (изоляторов, кабелей, обмоток).

1. Пробой вдоль границ раздела двух разных диэлектриков — например, вдоль границ полимер-газ (поверхностной пробой) или границы стержень-оболочка для высоковольтных изоляторов.

2. Пробой вдоль границы электрод — диэлектрик. Для кабелей это соответствует пробоям: токопроводящая жила — диэлектрик — металлический экрандля изоляторов: металлическая арматура (оконцеватель) — диэлектрик.

3. Пробой в объеме диэлектрика через малые каверны, неоднородности структуры.

Среди реальных изолирующих элементов, используемых в высоковольтной энергетике, наиболее исследованы особенности полиэтиленовой изоляции кабелей, трансформаторов и электромашин, а наименее изученными являются изоляторы на основе композиционных полимерных материалов, (в дальнейшем полимерные изоляторы ПИ), хотя они представляют новое поколение опорных, подвесных и проходных изоляторов. Причиной этому является использование в ПИ нескольких видов материалов с различными физико-химическими свойствами и усложненностью конструкции, по сравнению с ранее применяемыми фарфоровыми и стеклянными изоляторами [5,6].

В настоящее время обнаружение и измерение характеристик ЧР является основой контроля рабочего состояния различных видов высоковольтного энергетического оборудования, как на стадии его изготовления, так и в условиях его эксплуатации. Наиболее известны следующие методы обнаружения ЧР: электрический, электромагнитный, акустический и оптоэлектронный [7−13]. Если первый является контактным методом, то все последующие относятся к группе дистанционных методов. Независимо от источника ЧР все способы обнаружения ЧР можно также разделить на две группы: стендовых измерений и в условиях эксплуатации под рабочим напряжением. Требования к методике измерении изложены в ряде ГОСТов [14−19]. Следует отметить, что до настоящего времени стандарты (IEC-60 270 и ГОСТ 20 074–83) относятся только к электрическому методу измерения характеристик 4P при стендовых испытаниях. Если указанные выше методы измерения характеристик 4P уже нашли достаточно широкое применение в таком высоковольтном оборудовании как трансформаторы, кабели, электрические машины, то контроль состояния высоковольтных изоляторов пока далек от реального выполнения. Особенно это относится к оперативному контролю нового поколения высоковольтных изоляторов из высокополимерных материалов. Проблема повышения качества контроля состояния ПИ, была отмечена в указаниях и приказах, РАО «ЕЭС России» «О повышении надежности опорно-стержневых изоляторов № 252 от 06.05.2002», а также в решениях рабочих совещаний разного уровня. К настоящему времени уже разработаны измерительные системы электрического типа, обеспечивающие измерение 4P в изоляции такого оборудования как силовые и измерительные трансформаторы на 220 500 кВ, электрические машины напряжением 20 кВ, элегазовое оборудование. К ним относятся системы: Корона (сибирский НИИ энергетики) — ЦРЧР (НСПБ Электросеть сервис) — СКИ (НПО «Электрум») и ряд других.

Разработан ряд устройств для дистанционных измерений, в основном обеспечивающих только определенные качественные характеристики 4P. К ним относятся акустические системы «Дельфин» («Техносервис-электро»), 4P STELL, AR 700 (Виброцентр) — оптоэлектронные приборы «Филин» (сибирский НИИ Энергетики).

Однако, практически отсутствуют промышленные образцы устройств электромагнитного типа, за исключением нескольких экспериментальных устройств, описанных в ряде статей [20−23]. Главным недостатком, используемых в экспериментах электромагнитных устройств, является неразработанность способов обработки сигналов 4P с привязкой их характеристик к фазе высокого напряжения и отсутствие каких-либо четких регламентов по характеристикам оперативного контроля.

В частности, имеющиеся на данный момент авторские свидетельства на изобретения и патенты по косвенным способам и устройствам контроля состояния высоковольтных изоляторов позволяют выполнять измерения среднего количества и средней амплитуды ЧР, зарегистрированных в течение 5−10 циклов измерений, причем длительность каждого цикла может изменяться от 1 до 10 секунд без привязки характеристик сигналов ЧР к фазе высокого переменного напряжения [23,24]. Подобным недостатком обладает и относительно новый патент 1Ш 2 359 280 [25], к тому же в нем используется весьма сложная система обработки отраженных из изоляторов электромагнитных сигналов.

Более современная и оптимальная система регистрации характеристик ЧР была предложена и разработана в Санкт-Петербурге в НТО «Электрум», в которой характеристики ЧР представляются в виде двух или трехмерных амплитудо-частотных фазовых характеристик. Как указывают авторы разработки, эта система с использованием систем электромагнитных и индукционных электрических датчиков была применена только для оперативного контроля обмоток высоковольтных трансформаторов [26]. В режиме оперативного контроля рабочее состояние обмоток контролировалось только по интенсивности и числу ЧР за определенный период времени. Однако, изменение положения максимумов амплитуды и числа импульсов ЧР на фазовой диаграмме в зависимости от характера дефекта не фиксировалось, а также не обращалось внимание на фазовое распределение ЧР. Кроме того, результаты проведенных экспериментов показали, что с помощью одного метода весьма затруднительно получение объективных данных по рабочему состоянию изолятора при оперативном контроле. Более объективные данные могут быть получены только при использовании комплекса методов.

Таким образом, на основе анализа разработанных ранее экспериментальных методов и выполненных экспериментальных исследований по изучению ЧР в полимерных материалах, и в частности высоковольтных ПИ, стала очевидной необходимость разработки системы контроля с одновременным использовании ряда методов и более разнообразной оценки характеристик ЧР в полимерных материалах и ПИ.

Цель — разработка способа и автоматизированной системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по временным амплитудно-фазовым и частотно-фазовым характеристикам частичных разрядов.

Основные задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа оперативного контроля полимерных материалов по характеристикам частичных разрядов (ЧР).

2. Разработка способа измерения интенсивности и числа ЧР в определенные фазовые интервалы приложенного напряжения и времени воздействия (соответственно амплитудно-фазовые и частотно фазовые характеристики) с помощью бесконтактных электромагнитных и контактных электрических датчиков.

3. Разработка алгоритмов компьютерной обработки аналоговых сигналов ЧР от датчиков, представление их в форме амплитудно-фазовых (АФХ) и частотно-фазовых (ЧФХ) характеристик.

4. Разработка метода определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР при бесконтактном электромагнитном методе детектировании.

5. Проведение экспериментальных измерений характеристик ЧР и построение АФХ и ЧФХ для образцов полимерных высоковольтных изоляторов с различной степенью дефектности.

6. Определение необходимого набора параметров ЧР для эффективного оперативного контроля высоковольтных опорных и подвесных полимерных изоляторов.

Предмет исследования — объемные и поверхностные дефекты, возникающие в ходе эксплуатации полимерных изоляторов в виде треков и дендритов, и их влияния на работоспособность.

Методы исследования.

При проведении работ использовались теоретические и экспериментальные методы изучения кинетики электрического разрушения полимеров, численные методы компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на оригинальной установке с использованием современной измерительной аппаратуры.

Научная новизна:

1. На основе анализа процессов старения и разрушения полимерных материалов и методов их контроля обоснован способ идентификации дефектов в ПИ по характеристикам ЧР.

2. Разработана и создана система одновременного измерения характеристик ЧР с помощью электромагнитных и электрических датчиков, с привязкой к фазе напряжения.

3. Разработан алгоритм обработки сигналов ЧР и представления их в форме амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик.

4. Разработан способ определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР при бесконтактном электромагнитном детектировании.

5. Использование разработанной системы оперативного контроля в экспериментальных исследованиях на ряде полимерных изоляторов с различной степенью дефектности позволило установить критерии по выявлению дефектов и степени их влияния на дальнейшую работоспособность полимерных изоляторов.

Практическая значимость:

— Разработанный способ и созданная измерительная система пригодны для использования при оперативном контроле высоковольтных изоляторов различных типов непосредственно в местах эксплуатации без отключения рабочего напряжения, а также при стендовых испытаниях изоляторов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанный способ измерения характеристик ЧР с помощью бесконтактного электромагнитного и контактного электрического датчиков и способ их представления в форме амплитудно-фазовых частотно-фазовых диаграмм.

2. Методика определения величины ЧР при электромагнитном методе детектирования ЧР.

3. Разработанный пакет вычислительных программ для обеспечения измерений характеристик ЧР, их накопления и анализа.

4. Необходимый для оперативного контроля набор параметров ЧР, включает в себя следующие основные параметры: максимальное значение заряда и число ЧР, начало возникновения ЧР в зависимости от фазы приложенного напряжения, за определенный временной интервал измерения (порядка нескольких секунд).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 64 наименований. Основная часть изложена на 102 страницах, включая текст и рисунки.

Заключение

.

Основным результатом исследований и разработок, выполненных автором в настоящей диссертации, является осуществление цели работыразработка системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по характеристикам частичных разрядов.

Достижение поставленной цели было выполнено применением комплексного подхода к решению поставленных задач, включавшему теоретическое рассмотрение процессов и механизмов электрического пробоя в полимерных материалах, разработку метода анализа параметров ЧР и определения их оптимального набора, создания экспериментальной измерительной системы и проведения измерений параметров ЧР в высокополимерных материалах и изоляторах.

Главным выводом, следующим из наших исследований, является утверждение, что критерием работоспособности изоляторов является не просто число и интенсивность ЧР выше определенного уровня, как это утверждается в ряде работ, а их резкое изменение относительно тех же параметров для работоспособных изоляторов того же типа.

В соответствии с поставленной целью выполнены все основные задачи научного исследования:

1. Выполнен информационный анализ процессов и механизмов электрического и механического старения и разрушения полимерных материалов и влияния на эти процессы ЧР, позволивший оценить возможность измерения параметров ЧР для оперативного контроля полимерных изоляторов.

2. Разработан способ и создана система измерения количества ЧР и средней амплитуды за каждый дискретный интервал фазы высокого напряжения с использованием электромагнитных и контактных датчиков.

3. Разработан алгоритм построения компьютерной системы обработки аналоговых сигналов ЧР от датчиков с использованием виртуальных приборов в среде Lab View.

4. Выполнено измерение параметров ЧР на ряде промышленных полимерных изоляторов типа ЛК 70/35 с различной степенью дефектности.

5. С помощью разработанного программно-аппаратного комплекса построены и проанализированы амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы исследованных полимерных изоляторов и установлена корреляция между параметрами ЧР и степенью дефектности полимерных изоляторов.

6. Разработана методика и критерии контроля работоспособности полимерных изоляторов по набору характеристик ЧР: резкое превышение порога интенсивности и числа ЧР для заведомо работоспособных изоляторов в определенных фазах высокого напряжениязначительное (до 20−30%) изменение этих параметров при длительном характере (порядка месяца) воздействия электрического напряжения, сдвиг максимумов ЧР в фазовые углы, более удаленные от пиковых значений приложенного поля.