Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

Собственные электромагнитные излучения трансформатора при оценке его технического состояния
 

Собственные электромагнитные излучения трансформатора при оценке его технического состояния

Н. Киншт, Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН; М. Кац, Дальневосточный государственный технический университет Н. Петрунько, ИАПУ ДВО РАН

 

 

Источником электромагнитных излучений являются электрические разряды, возникающие как при нормальной работе оборудования, так и при деградации изоляции и других конструк­тивных элементов. Техническое состояние (ТС) изоляции оборудования связано с наличием, интенсивностью и распределением частичных разрядов (ЧР) [1]. Время протекания тока ЧР оценивается порядком 10-8...10-9 с, и, следовательно, верхняя часть диапазона частот собст­венных ЭМИ ВВ оборудования простирается вплоть до сантиметровых волн (порядка 1010Гц). Любая деформация высоковольтных конструктивных элементов может приводить к локаль­ным возмущениям электромагнитного поля, приводящим, как правило, к возрастанию интен­сивности ЧР.

 

В процессе старения изоляции в ней появля­ются новые газовые включения, а также изме­няются ее электрофизические характеристики. Возникающие во включениях ЧР ускоряют про­цесс старения, и этот процесс развивается как цепная реакция. Эти явления, накладываясь друг на друга, сопровождаются местными тем­пературными перегревами, приводящими лишь к повышению интенсивности ЧР. Электрофизиче­ские процессы в силовых контактах аналогичны. При этом общая мощность излучения увеличи­вается, а изменчивость спектра излучения воз­растает.

Собственные ЭМИ трансформатора непо­средственно зависят от основных факторов, оп­ределяющих качество изоляции:

-    количества включений в изоляции, в кото­рых происходят ЧР,

-   количества ЧР во включениях,

-  составляющих тангенса потерь в изоляции [2],

-     интенсивности процессов деградации изо­ляции,

-   концентрации растворенных газов.

Они связаны также с качеством контактов и другими механическими параметрами, такими, например, как качество механического крепле­ния обмоток трансформаторов.

Ясно, что спектры излучений отдельных эле­ментов оборудования в значительной степени индивидуальны; эта индивидуальность обуслов­лена случайностью распределения включений в объеме изоляции, конкретными электрофизиче­скими характеристиками включений и изоляции в целом. Таким образом, собственные ЭМИ обо­рудования несут в себе ценную информацию о его ТС, причем эта информация передается в эфир спонтанно и непрерывно. Основной целью исследования высокочастотных ЭМИ в транс­форматорах является раннее предупреждение о тенденциях в изменении их технического со­стояния при минимальном вмешательстве в технологический процесс передачи электриче­ской энергии. Собственные ЭМИ трансформато­ра следует считать ценным диагностическим параметром, а регистрацию и анализ собствен­ных ЭМИ трансформатора в широком диапазоне частот - перспективным методом оценки ТС оборудования на ранних стадиях процесса де­градации.

1. Распределение электромагнитного по­ля, излучаемого высоковольтным оборудо­ванием.

Электромагнитные поля, связанные с час­тичными разрядами во внутренней изоляции, излучаются в окружающее пространство через элементы конструкции, изолированные от кор­пуса трансформатора. Это обусловлено тем, что корпус трансформатора заземлен и испол­няет роль достаточно хорошего «экрана» для всех высокочастотных электромагнитных по­лей, исходящих от источников частичных разрядов, расположенных внутри бака трансфор­матора. Излучающими элементами конструк­ции трансформатора являются высоковольт­ные вводы как для источников электромагнит­ных полей от частичных разрядов, возникаю­щих из-за внутренних дефектов изоляции вво­дов, так и для источников, находящихся внутри бака. Также в пространство будет излучаться и электромагнитное поле искровых разрядов от дефектов магнитопровода.

Для исследования характерных особенностей процесса излучения ЭМИ было произведено математическое моделирование распределения электромагнитного поля силового автотранс­форматора [3-5]. Трехмерная модель излучения ЭМИ исследовалась на примере автотрансфор­матора АОДЦТН 16700/500/220. В качестве из­лучающих элементов конструкции автотранс­форматора приняты его высоковольтные вводы, представленные в качестве вертикальных виб­раторов. Модель позволяет получить диаграммы пространственного распределения ЭМП при различных режимах и видах поляризации, рас­считывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Моделирование производилось итеративно по принципу - от простого к сложному. На на­чальном этапе расчета рассматривалось излу­чение каждого ввода в отдельности (высоко­вольтные вводы представляются в виде сим­метричных вибраторов). На следующем этапе принималось во внимание, что каждый высоко­вольтный ввод располагается на баке авто­трансформатора (в этом случае получаются несимметричные вибраторы, расположенные на подставке). На заключительном этапе учитыва­лось взаимное переизлучение всех высоко­вольтных вводов автотрансформатора (случай связанных вибраторов). Результатом моделиро­вания явились диаграммы направленности из­лучения автотрансформатора.

Определялись характеристики пространст­венного распределения высокочастотного электромагнитного поля автотрансформатора - диа­граммы направленности излучения на различ­ных частотах. Обратим внимание на то, что диа­граммы направленности для различного вида поляризации электромагнитных волн могут зна­чительно отличаться.

Точки на местности вблизи трансформатора, в которых будет располагаться аппаратура для регистрации ЭМИ, должны удовлетворять усло­виям технологической доступности и техники безопасности; их необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить достоверность и стабильность получаемой информации. Так, в соответствии с расположением трансформатора на подстанции, доступными для расположения антенны регистрирующего прибора можно на­звать направления в интервале [1300, 2300]. В соответствии с этим результаты расчета диа­грамм направленности можно свести в таблицу, используемую для выбора точки съемки.

Была произведена экспериментальная про­верка адекватности проведенных расчетов. Под­тверждена неравномерность диаграммы на­правленности в секторе доступности для распо­ложения антенны.

2. Принципы селекции сигналов.

Электромагнитный фон излучений на под­станции весьма разнообразен и занимает диа­пазон от десятков кГц до десятков ГГц в широ­ком диапазоне амплитуды [6]. Возникает необ­ходимость подавления мешающих, помеховых сигналов и выделение на их фоне сигнала соб­ственного ЭМИ диагностируемого объекта, т.е. необходимость селекции сигналов. Различают несколько видов селекции сигналов: по направ­лению, по частоте, по амплитуде (мощности), по времени, по фазе, по виду поляризации и т.д.

Пространственная селекция основана на различии направления прихода полезного сиг­нала и помехи. Реализуется остронаправленны­ми приемными антеннами. Ширина диаграммы направленности типовых применяемых антенн составляет 60 - 90°С.

Частотная селекция основана на различии в частоте сигнала и помехи. Для селекции сигна­лов электромагнитного излучения высоковольт­ного оборудования необходимо первоначально просмотреть весь спектр предполагаемого диа­пазона, в котором может находиться излучение от диагностируемого оборудования. Далее не­обходимо оценить основные максимумы спектра и выделить среди них наиболее полезные с ин­формационной точки зрения. Затем необходимо выделить участки с наиболее интенсивной по­мехой и работой радио- и телевизионных стан­ций, сотовых телефонов. После этого можно ис­пользовать узкополосные фильтры для селек­ции полезного сигнала - определение частоты помех, фона, работы передающих станций те­левидения, радиовещания сотовой телефонной связи. Амплитудная избирательность основа­на на различии в амплитудах в месте приема полезного сигнала и помехи. В соответствии с реализацией этого принципа следует размещать антенну приемника в непосредственной близо­сти от диагностируемого трансформатора, удов­летворяя условиям технологической доступно­сти и техники безопасности

Избирательность по виду поляризации. Рассматривая оборудование, расположенное на площадке, в первом приближении можно отме­тить, что оно состоит из расположенных верти­кально (высоковольтные вводы, шлейфы и т.п.) и горизонтально (провода линии электропереда­чи, изоляторы и т.п.) элементов высоковольтного энергетического оборудования. Собственные ЭМИ, излучаемые этими элементами, будут иметь соответственно горизонтальную или вер­тикальную поляризацию. Изменяя положение приемной направленной поляризованной антен­ны в пространстве, можно принимать излучения с различным видом поляризации. Развязка меж­ду излучениями с горизонтальной и вертикаль­ной поляризацией составляет около 80-90Д6.

Пространственная избирательность пре­дусматривает съем спектральных характеристик объекта с различных точек наблюдения. Позво­ляет путем сравнения (сравнительного наложе­ния, взаимного вычитания или иных действий) спектральных характеристик определить наибо­лее характерные признаки' (показатели) тести­руемого объекта, в то время как шумовые сигна­лы в результате обработки результатов замеров отбрасываются.

Таким образом, при измерении собственных излучений диагностируемого оборудования предлагается:

-   произвести оценку общей обстановки на не­направленную штыревую антенну по всему час­тотному диапазону;

-   путем анализа и повторных замеров по час­тотному, слуховому и визуальному каналам вы­явить явные мешающие сигналы, с тем, чтобы при дальнейшей работе их исключить;

-    произвести обзор частотного диапазона на направленную антенну. При этом рекомендуется выбирать точку наблюдения таким образом, чтобы оптическая ось антенны была направлена на тестируемый объект и происходило некото­рое увеличение амплитуды сигнала изучаемого объекта за счет направленных свойств антенны (ее коэффициента усиления). Точка наблюдения должна фиксироваться с тем, чтобы обеспечить сравнимость результатов, получаемых при по­вторных испытаниях.

3. Информативные частотные полосы из­лучений.

Единичные частичные разряды в изоляции оборудования имеют широкий энергетический спектр и возбуждают электромагнитные излуче­ния в широком диапазоне частот внутри бака трансформатора. Однако элементы конструкции - обмотки, ярма, изоляции в совокупности обла­дают резонансными свойствами, представляя собой высокодобротные колебательные цепи и теоретически преобразуют широкополосный спектр в полимодальный. Кроме того, нелиней­ные свойства материалов и элементов обуслав­ливают появление гармоник высокого порядка. Наконец, элементы, излучающие ЭМИ, также обладают резонансными свойствами.

Излучение ЭМИ от источников, находящихся внутри ЭО, происходит через совокупность ан­тенн, которые фильтруют спектр ЭМИ, образо­вавшихся внутри бака трансформатора, пропус­кая их сквозь собственные полосы пропускания. Кроме того, в этих полосах пропускания могут быть добавлены частоты, обусловленные де­фектами в антеннах (например, вводах). Сово­купность собственных частот, их гармонических составляющих, а также комбинационных частот как раз составляет индивидуальный портрет ТС конкретного устройства в частотной области. Таким образом, в конечном итоге, набор инфор­мативных частотных полос, доступных для диаг­ностики, определяется частотными свойствами излучателей [7].

Здесь необходимо специально остановиться на том, какие элементы электрооборудования принимаются в качестве антенн. Во-первых, в модели излучения автотрансформатора, в каче­стве антенн принималось, что излучают ЭМИ вводы целиком, изолированные от заземленного металлического корпуса контролируемого трансформатора. Это не всегда может быть принято. Необходимо учитывать такую важную особенность конструкции высоковольтных вво­дов (по крайней мере, вводов класса напряже­ний 110кВ и выше), как проводящие уравнитель­ные прокладки.

Также следует учесть излучающую способ­ность шлейфов - соединений вводов с шинами. Система ввод - шлейф - шина представляет собой классическую антенну. Если идеальный шлейф представит из себя вертикальный про­вод, а идеальная шина - горизонтальный про­вод, то собственно излучающим элементом бу­дет являться шлейф, а шина своей емкостью на землю будет обеспечивать протекание тока вы­сокой частоты через шлейф. Высотой такой ан­тенны следует разность высот присоединения концов шлейфа к электрооборудованию, и к ши­не. Токи высокой частоты, инициированные час­тичными разрядами и возникшие внутри зазем­ленного металлического корпуса, поступают во вводы и замыкаются по путям: (ввод - емкость ввода - земля) или (ввод - шлейф соединения вводов ЭО с шинами - шины - емкость шлей­фов и шин - земля). При этом энергия частично излучается как вводами, так и системой шлейфы ины.

Итак, в качестве антенн электрооборудова­ния, излучающих ЭМИ, следует рассматривать наружные вертикальные части вводов электро­оборудования, выступающие за пределы прово­дящих прокладок вводов, уравнивающих рас­пределение потенциала вдоль ввода. При отсут­ствии у ввода упомянутых прокладок - сами на­ружные вертикальные части вводов электрообо­рудования, выступающие за пределы металли­ческого корпуса, считаются антеннами. Кроме того, в качестве антенн рассматриваются шлейфы - соединения вводов ЭО с шинами, распре­деляющими электроэнергию по подстанции [8].

Таким образом, при обработке результатов обследования трансформатора рассчитываются резонансные частоты и полосы пропускания из­лучателей, составляющие потенциальные информативные частотные полосы ЭМИ. Из них исключаются участки с наиболее интенсивными помехами различного происхождения (работа радио- и телевизионных станций, сотовых теле­фонов и др.) Данные о спектрах ЭМИ именно в этих последних информативных частотных по­лосах являются основой для оценки ТС транс­форматора.

4. Экспериментально регистрируемые спектры. Зависимости спектров от времени.

С 1997 года лабораторией электрофизики и электроэнергетики ИАПУ ДВО РАН ведутся ра­боты по мониторингу собственных электромаг­нитных излучений трансформаторного оборудо­вания класса 500, 220, 110кВ на объектах МЭС Востока ФСК «ЕЭС России», ЛУТЭКа, Зейской ГЭС и др., в том числе в контакте с Московским Электрозаводом [9 -12].

Методика диагностического обследования позволяет определить оборудование, требую­щее к себе внимания, а проведение серии по­следовательных испытаний - судить о динамике его ТС.

Анализ результатов обследований показыва­ет, что обследования разового характера позво­ляют выявить оборудование с аномальными (по сравнению с аналогичным или однотипным обо­рудованием) характеристиками и уверенно ран­жировать по уровню ТС. Динамика же развития интенсивности сигналов на отдельных частотах, энергия излучения в определенных диапазонах частот, характерные изменения формы сигналов с ростом числа источников ЭМИ и другие спек­тральные признаки диагностического монито­ринга являются той информационной базой, по которой можно оценивать ТС высоковольтных установок. В качестве критерия ТС использова­лось превышение энергии собственных ЭМИ над энергией общего фона (в диапазонах, не занятых телевизионными станциями и другими регулярными источниками ЭМИ).

Обследования ЭМИ трансформаторного обо­рудования проводились с помощью спектромонитора PROMAX в диапазонах частот 40-170 и 160-460МГц. По существу регистрируемые вре­менные зависимости спектров представляют собой случайные процессы, которые с опреде­ленной уверенностью можно считать стационар­ными. Для оценки необходимого времени на­блюдения процесса предварительно оценивает­ся величины интервала времени Т, на котором спектр ЭМИ с достаточной достоверностью можно считать стационарным случайным про­цессом.

В зависимостях наблюдаемых спектров от времени можно зафиксировать некоторые закономерности. Так, как правило, спектры имеют явно выраженный полимодальный и волнооб­разный характер с периодом порядка нескольких (3...12 и более) секунд. Можно предложить, по крайней мере, 2 гипотезы в объяснение этого факта. С одной стороны, не исключено, что он обусловлен разностью частот развертки прибора (50Гц) и реальной частотой сети. С другой сто­роны, нельзя исключить проявления медленной составляющей заряда изоляции в соответст­вующем релаксационном процессе. Здесь тре­буются дополнительные исследования; период сверхнизкочастотных колебаний спектра может оказаться весьма информативным параметром процессов ЧР.

Характерным для спектров зачастую являет­ся наличие отдельных (острых) пиков спектра, отражающих быстро возникающие и быстро за­тухающие высокодобротные колебания, которые могут возникать практически во всем диапазоне рассмотренных частот. Их интерпретация оче­видна, и количество таких пиков, а также их ве­личину можно считать информативными пара­метрами, хорошо коррелирующимися с обще­принятыми представлениями о процессах ЧР. (Кстати, спектры, практически сплошь состоящие из таких пиков, были характерны для большин­ства трансформаторов тока IMB-550 на подстан­ции «Итатская»),

Еще одной регулярно наблюдаемой особен­ностью спектров собственных ЭМИ является «перемещение» во времени фрагментов спектра в направлении высоких частот. Авторам пока не удается построить математической модели электрофизического механизма такого явления.

Коснемся вопроса влияния метеоусловий на возможность проведения мониторинга. Очевид­но, что проведение работ под рабочим напряже­нием при высокой влажности и осадках не пред­ставляется возможным. Однако специально от­метим, что для проведения диагностических об­следований при низких температурах ограниче­ний нет. При этом общий вид наблюдаемых спектров остается неизменным. Так, в ноябре 2005г на Зейской ГЭС успешно производились обследования при дневной температуре -20°С, что было бы недопустимо для большинства су­ществующих регламентированных и широко распространенных методов.

5. Заключение.

В соответствии с общими принципами техни­ческой диагностики при решении задачи оценки ТС объекта большую важность имеет сбор и оценка значимости симптомов. Любые наблю­даемые в процессе диагностики свойства объек­та одновременно должны отражать характерные свойства объектов, с другой стороны - быть ва­риабельными при изменении ТС конкретного объекта. Принятие реальных решений относи­тельно ТС объектов оборудования должно про­изводиться на основе комплексного анализа ин­формации, полученного с помощью всех доступ­ных методик. Вместе с тем последовательность применения различных методов определяется соотношениями между ожидаемой информатив­ностью метода и затратами на его проведение.

Затраты на обследование собственных ЭМИ трансформаторов минимальны. Этот метод дает возможность оперативно под рабочим напряже­нием (в том числе в условиях низких температур) получить оперативную информацию об аномали­ях в ТС отдельных единиц оборудования (по сравнению с однотипными), а также представлять основу для оценки динамики изменения ТС от­дельной единицы оборудования.

 

Литература

1. Н.В. Киншт, М.А. Кац. Диагностика точечных источников электромагнитных шумов // Электриче­ство, 1999, №4, с. 40-42.

2. Н.В. Киншт, М.А. Кац. К анализу переходного процесса в несовершенном диэлектрике с нелинейной неоднородностью. Электричество 2006, №11 с. 65-68.

3. Н.В. Киншт, Н.В. Силин и др. О способе контроля высоковольтного оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения. Промышленная энергетика, 2007, №5, с. 15-20.

4. М.Ю. Белушкин. Моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетическо­го оборудования высоковольтных подстанций. Канд. диссертация. Владивосток:, 2004. с.145.

5. Н.В. Силин. Оценка технического состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля // Дисс. на соискание ученой сте­пени доктора технических наук. Санкт-Петербург, 2009. - 295 с.

6. А.Н. Грязное, В.П. Говорухин, А.Д. Сигида, А.Д. Стефанюк. Принципы селекции сигналов электромагнитного излучения высоковольтного оборудования. Сб. статей «Проблемы и методы разработ­ки и эксплуатации вооружения и военной техники ВМФ». Вып. 23. Владивосток: ТОВМИ, 2000.

7. Н.В. Киншт и др. Патент РФ на изобретение №2311652 от 10.04.2006 «Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования».

8. Н.В. Киншт, Н.Н. Петрунько. Патент РФ на изобретение №2339960 от 10.04.2007 «Способ контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования».

9. М.Е. Алпатов, Д.Д. Загоскин, Н.В. Киншт, Н.Н. Петрунько, С.Ф. Тищенко Диагностика техническо­го состояния высоковольтного оборудования на основе регистрации электромагнитных излучений // Электро, 2006, № 5, с.6-9

10. Nikolay V. Kinsht, Marat A. Katz, Natalia N. Petrun'ko Electromagnetic radiation of partial discharges in insulation of the HV devices IIIFAC Symposium on Power Plants & Power Systems Control 2003. Seoul, Korea. September 15-19, 2003. Vol. 1. P. 373-376

11. Nikolay V. Kinsht, Natalia N. Petrun'ko The Diagnostics of the Electromagnetic Radiation Sources on the HV Substations // Asia-Pacific Symposium on EMC & 19th Internathional Zurich Symposium on Electro­magnetic Compatibility. May 19-22, 2008. Singapore. P297

12. Nikolay V. Kinsht, Natalia N. Petrun'ko The Experience of Inspection of a Technical Condition of the HV Equipment on Substations by a Method of Registration of the own Electromagnetic Radiations // Interna­tional Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD2008). 19-24.04.2008. Beijing. China. P.738- 740.

 

 

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Киншт Н., Кац М., Петрунько Н. Собственные электромагнитные излучения трансформатора при оценке его технического состояния. Электроэнергетика: сегодня и завтра, №  3,  2012.– С.88-92.
Материал размещен на www.transform.ru: 18.09.2012 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????