Применение акустической локации электрических разрядов в измерительных трансформаторах

Обычно электрические разряды в электротехническом оборудовании выявляются электрическими измерениями. Вместе с тем, как показывают исследования российских (НПО «Техносервис-Электро) и сербских (энергетическая компания «Электроисток») специалистов, большей оперативностью отличается акустическая диагностика, которая, как правило, проводится без отключения оборудования. Кроме того, на основании предложенного метода разработаны весьма экономичные системы мониторинга электрооборудования.

Метод основан на локации акустических сигналов от электрических разрядов с помощью ультразвуковых датчиков, регистрирующих приборов и компьютера. Датчики устанавливаются на заземленные части оборудования, например, на поверхность бака или опорную плиту трансформаторов тока и напряжения. Для монтажа датчиков на стальные поверхности удобно использовать магнитные крепления. Датчик также можно установить на нижний фланец фарфоровой покрышки или на поверхность дна с помощью резинового крепления. Важно, чтобы внутренняя часть поверхности, на которой закреплен датчик, соприкасалась с маслом или элегазом, в которых хорошо распространяется ультразвук.

Ультразвук, вызванный частичным искровым или другим электрическим разрядом в жидкости или газе, представляет собой затухающие колебания сжатия-растяжения среды. Слуховая модель такого звука – резкий щелчок. Если источников разрядов много, слуховой образ напоминает шум прибоя или раскаты аплодисментов в зале.

Распространяясь в бумажно-масляной или элегазовой изоляции электрооборудования, исходный звук разряда отражается от различных твердых преград, и, постепенно затухая, создает послезвучание (реверберацию). Проходя через стенку оборудования, звуковая волна сжатия-растяжения превращается в целый спектр разных волн (сдвиговых, изгибных, поверхностных и т. д.). Ультразвуковой датчик преобразует их в электрический сигнал. Для повышения чувствительности размеры датчика делаются соразмерными с длиной волны принимаемого звука. Амплитудно-частотная характеристика датчика определяется при калибровке по ультразвуковому давлению или по колебательной скорости плоской волны. Однако принимаемые датчиком на стенке электрооборудования ультразвуковые волны не являются плоскими. Тем не менее при обработке сигналов предполагается, что датчик сохраняет свои характеристики и для преобразования этих волн.

В электрооборудовании могут быть простые и сложные условия распространения ультразвука. В высоковольтных вводах, измерительных трансформаторах, токопроводах обычно имеются простые условия распространения ультразвука, при которых звук от разряда распространяется в почти однородной среде на расстояния порядка сотни длин волн и поэтому затухает незначительно. В силовых трансформаторах, в элегазовом оборудовании источник электрического разряда может находиться в глубине оборудования.

В этом случае ультразвук проходит ряд преград и затухает существенно. Если у небольших маслонаполненных объектов величина акустического сигнала практически одинакова в любой точке поверхности, то при обследовании, например, силового трансформатора это отличие более значительно, и необходимо, перемещая датчик, искать область поверхности с максимальным сигналом.

Для регистрации и анализа сигналов НПО «Техносервис-Электро» использует три различных взаимодополняющих типа приборов, отличающихся способами обработки и регистрации сигналов. Первый тип – цифровые осциллографы, например Tektronix (США) или Актаком (Россия), позволяющие регистрировать осциллограмму сигнала и его спектр.

Второй тип – распространенный в энергетике ультразвуковой зонд типа Ultraprobe (США), в котором используется гетеродинирование сигнала и прослушивание преобразованного спектра сигнала через наушники. Третий тип – разработанный НПО «Техносервис-Электро» ультразвуковой модератор «Дельфин», который позволяет записать, замедлить и услышать ультразвуковой сигнал.

Как известно, осциллограммы не выявляют многих особенностей сигнала, позволяющих распознать образ источников звука. Поэтому в настоящее время ведущий производитель осциллографов фирма Tektronix в последних разработках дополняет осциллограммы. Например, цветовыми представлениями текущих спектров и т. п. Наряду с цифровыми осциллографами оказалось весьма эффективно использовать замедление (модерацию) звука и его прослушивание для распознавания слухового образа источника разрядов. Это линейное преобразование сигнала значительно более информативно, чем гетеродинирование, применяемое в приборах типа Ultraprobe. Кроме того, при использовании ультразвукового модератора «Дельфин» появляется оперативная возможность применения распространенных компьютерных программ обработки и редактирования цифрового звука, таких как Saund forge и проигрыватель Windows Media.

Применяемые при обследованиях НПО «Техносервис-Электро» чувствительные ультразвуковые датчики типа РЧР (регистратор частичных разрядов) имеют чувствительность не менее 30 мВ/Па. Датчик состоит из стального герметичного корпуса, преобразующего элемента из пьезокерамики и усилителя электрического сигнала.

Сигнал от датчика передается в ультразвуковой модератор по соединяющему кабелю. Ультразвуковой модератор содержит усилитель с регулятором усиления, обеспечивает индикацию амплитуды сигнала пятью светодиодами, имеет аналого-цифровой преобразователь и аккумуляторы питания. Масса прибора 0,3 кг, габариты 80х140х40 мм.

При работе ультразвук преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается, детектируется, амплитуда его оценивается пятиуровневым индикатором. При нажатии на кнопку записи сигнал переводится в цифровую форму, запоминается, и затем замедленно воспроизводится через наушники. Время записи – два периода сетевой частоты (40 с). Время воспроизведения записи – 4 с. Воспроизведение повторяется циклически до следующего нажатия кнопки записи. При таком преобразовании ультразвуковой диапазон чувствительности РЧР 60–130 кГц переводится в одну октаву слышимого диапазона 600 Гц – 1,3 кГц.

Через разъем подключения наушников можно предать записанную информацию на компьютер или магнитофон для хранения, дальнейшей обработки и документирования. Для обучения, а также для тестового сравнения звуков от различных источников к прибору можно использовать готовые аудиозаписи реальных сигналов электрических разрядов, обнаруженных в контакте ввода 220 кВ силового трансформатора, в изоляции ввода 220 кВ, в КРУЭ 220 кВ при попадании металлической стружки на изолятор, в элегазовом выключателе 110 кВ с трещиной изолятора, в концевой муфте кабельной линии 110 кВ с полиэтиленовой изоляцией, в переходной стопорной муфте 110 кВ с увлажненным маслом, в трансформаторах тока и напряжения 110–500 кВ, с частичными разрядами в бумажно-масляной изоляции.

Акустические сигналы в оборудовании, вызванные электрическими разрядами, можно обнаружить даже на фоне помех: вибростука, шума маслонасосов и вентиляторов и т. д. Для этого оператор должен отличать звонкие звуки, характерные для электрических разрядов, от глухих звуков, имеющих механическую природу.

Значительный опыт использования акустического метода накоплен при диагностическом обследовании измерительных трансформаторов напряжением 110–400 кВ с длительным сроком службы, которое проводилось на подстанциях в Сербии. Все обследованные трансформаторы с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа имели в нижней части заполненный маслом бак, на который устанавливался ультразвуковой датчик.

Работы подтвердили, что при разрядах в основной изоляции на уровне верхней части бака регистрируемый уровень ультразвукового давления в различных точках поверхности бака отличается не более чем в два раза. Этот факт позволяет проводить акустические обследования подобных измерительных трансформаторов, устанавливая датчик в произвольной точке повер-хности. При этом измеренная амплитуда ультразвукового сигнала практически определяется энергией разряда.

Анализ повреждаемости и результаты стендовых испытаний маслонаполненных трансформаторов тока 110–750 кВ показывают, что объем испытаний не позволяет своевременно обнаружить дефекты электрического характера, приводящие к повреждениям, а также признаки аномального старения их изоляции. Это связано с тем, что контролируемые показатели качества масла (пробивное напряжение, кислотное число, температура вспышки масла, а также сопротивление изоляции), являясь интегральными показателями, слабо отражают наличие локальных дефектов и, кроме того, сравнительно редко подвергаются регулярному контролю.

Поэтому компании «Техносервис-Электро» и «Электроисток» рекомендуют сначала выполнять диагностическое обследование, а затем для вызывающих сомнение объектов провести отбор проб масла и хроматографический анализ растворенных газов. Акустическое обследование, как правило, проводится с помощью ультразвукового модератора «Дельфин». Если индикаторы «Дельфина» указывают на наличие ультразвукового сигнала, осуществляется прослушивание замедленного сигнала, его предварительная классификация и запись на магнитофон или компьютер. Запись сигнала можно производить также цифровым осциллографом. Затем с помощью компьютера анализируется спектр сигнала. Сигнал классифицируется как сигнал от разрядов по следующим признакам:

Если сигналы соответствуют разрядам, степень их опасности оценивается по амплитуде сигналов. К сигналам аварийного уровня для маслонаполненного оборудования с простыми условиями распространения ультразвука и без принудительной циркуляции масла относятся сигналы РЧР с амплитудой более 30 мВ по осциллографу (звуковое давление около 1 Па), или загорание хотя бы одного индикатора при указателе регулятора усиления ультразвукового модератора в красном секторе.

На подстанциях Сербии обследовались измерительные трансформаторы напряжением 110 кВ типов ТРЕ 11А (а также модификации В, С и Е), 4APU-123, AGU-123, IOSK-123; 220 кB, AGU-245, TRE-14B, 4APV-245; 400 кВ – TPE-16H, IOSK-420, AGU-420. В результате обследования 159 трансформаторов тока были выявлены 12 объектов с акустическими сигналами различного уровня. В шести из них уровень сигнала и характер звука указывали на высокий уровень разрядных процессов в изоляции и предаварийное состояние трансформаторов.

Известно, что уровень частичных разрядов в изоляции возрастает после перенапряжений, возникающих, например, при коммутациях. При отсутствии источников акустической активности существенно изменяется и состав растворенных газов в масле трансформаторов тока.

Исследователи отмечают, что несколько сложнее технология акустической диагностики трансформаторного напряжения, так как кроме ультразвуковых сигналов, обусловленных электрическими разрядами, могут быть сигналы, вызванные виброударами (вибростуками) магнитопровода. При обследовании более 100 измерительных трансформаторов в Сербии было выявлено 10 объектов с акустической активностью. Однако у всех трансформаторов акустические сигналы имели прежде всего механическую природу.

Источник: Журнал «Рынок Электротехники», № 1, 2006 г.