Методы контроля работоспособности элементов ЭУ

Метод контроля диэлектрических потерь. Рассеяние энергии в диэлектрике при воздействии на него переменного напряжения т.е. диэлектрические потери, обусловлено двумя процессами: проводимости и поляризации, развивающимся с задержкой во времени. Любая поляризация, развивающаяся не мгновенно, а с задержкой во времени, непременно связана с диэлектрическими потерями, даже если отсутствуют токи приводимости.

На рис 11.2,а показана векторная диаграмма токов при приложении к диэлектрику напряжения переменного тока. Общий ток в диэлектрике I_об образуется из двух составляющих – I_р реактивной (емкостной), опережающей вектор приложенного напряжения на 90⁰ и активной составляющей тока I_a. Активная составляющая тока I_a определяется зависимостью

,

где I_р = I_р.абс + I_см; I_рабс – реактивный ток абсорбции, I_см – ток смещения, сопутствующий электронной поляризации, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным; I_а = I_абс + I_пр, I_абс – активный ток абсорбции, I_пр – ток электрической проводимости.

Вектор I_об опережает вектор U на угол сдвига фаз . Дополнительный угол, дополняющий его до 90⁰, – угол диэлектрических потерь . Значение этого угла определяется соотношением I_а/I_р = . Проконтролировать изменение диагностического признака можно косвенным образом через мощность потерь в диэлектрике (рис.11.2,б):

,

где I_p – емкостной ток через диэлектрик; U – напряжение, приложенное к диэлектрику.

Приведенное выражение удобно тем, что, входящие в него величины, характеризующие свойства диэлектрика (емкость С, и тангенс угла диэлектрических потерь), поддаются достаточно точному измерению в одном опыте с помощью моста Шеринга.

Величина является важным показателем диэлектрика. Повышенное значение свидетельствует об увлажнении, загрязнении и неоднородности изоляции. Значение тангенса угла диэлектрических потерь дает усредненную объемную характеристику состояния диэлектрика, т.к. активная составляющая тока, вызванная диэлектрическими потерями, связанными с местным дефектом, при измерении относится к общему емкостному току объекта.

Таким образом, измерением выявляются не все дефекты, приводящие к отказу высоковольтного оборудования, т.е. достоверность диагноза состояния изоляции электрооборудования недостаточная.

Емкостной метод. Другим важным показателем диэлектрика является изменение емкостных характеристик, по которым определяется состояние изоляции. Измерение емкости изоляции позволяет обнаружить и местные дефекты. Степень выявляемости дефектов зависит от соотношения между поврежденной и неповрежденной частями изоляции.

На рис. 11.3,а приведена упрощенная схема замещения объекта с местным дефектом изоляции, развивающимся в объеме, ограниченном обкладками, которая состоит из емкости С_д объема дефектной изоляции, шунтированной сопротивлением R, и емкости С₀ остальной изоляции. Сопротивление R характеризует диэлектрические потери в дефектной изоляции.

Изменение тока через изоляцию объекта (рис.11.3,б) из-за дефекта определяется изменением комплексной проводимости изоляции

, (11.1)

где – ток через изоляцию при наличии дефекта, I₀ – ток через изоляцию неповрежденной части элемента; – напряжение, приложенное к изоляции; Y,Y₀ – проводимости схемы замещения изоляции элемента с дефектом и неповрежденной части соответственно; – изменение проводимости схемы, связанное с дефектом.
Из схемы следует

; (11.2)

. (11.3)

Тогда относительное изменение тока через изоляцию будет

. (11.4)

Совместное решение уравнений (11.2–11.4) дает , где – тангенс угла потерь дефектного участка изоляции. Активная составляющая приращения тока соответствует изменению диэлектрических потерь изоляции элемента, а реактивная – изменению его емкости (рис.11.3,б).

Изменение емкости объекта, вызванное дефектом, равно отношению мнимых частей выражений 11.2–11.3 для и :

.

При дефекте небольшого объема изоляции и последовательной схеме включения емкостей при С_д > С₀ можно считать

.

Контроль работоспособности изоляции по емкостным характеристикам основан на предположении, что емкость объекта при неизменной температуре и частоте f изменяется незначительно, т.е. . При скачкообразном изменении емкости можно судить о наличии дефектов в изоляции – появление больших по объему и хорошо проводящих включений – и о шунтировании части изоляции. Для схем замещения изоляции (рис.11.4) емкость С_f, измеренная на частоте f, определяется соотношением:

,

где Т – постоянная времени.

Зависимость С = (f) приведена на рис.11.5. При частоте емкость объекта минимальна и равна С_min, а при емкость объекта максимальная и равна С_max. Поэтому, чем больше изоляция (например, увлажнена), тем выше значение разности емкостей С = С_max - C_min. С другой стороны, посторонние включения практически не влияют на емкость . Следовательно, измерение емкости объекта при двух (низкой и высокой частотах) f_н и f_в позволяет судить о наличии в изоляции посторонних включений, в частности, увлажнения. Таким образом, изменение разности значений емкостей при двух значениях частоты или отношение (С_max - С_min)/C_max позволяют судить об ухудшении состояния изоляции.

Метод, основанный на контроле характеристик частичных разрядов. Частичным разрядом (ЧР) называется разряд в изоляции под действием приложенного напряжения, перекрывающий только часть изоляционного промежутка между электродами. Участок, шунтируемый частичным разрядом, может примыкать к одному из электродов. Частичный разряд возникает либо на участке с пониженной электрической прочностью в воздушном или газовом включении, либо в зоне повышенной напряженности электрического поля. Наибольшую опасность представляют ЧР в газовых включениях, так как в этом случае они возникают при меньших напряжениях, чем в жидких диэлектриках или твердых компонентов внутренней изоляции. Схема замещения изоляции, в которой происходят частичные разряды, представлена на рис.11.6. Здесь возникновение ЧР на участке КД аналогично пробою искрового промежутка между его концами.

На рис.11.6 приняты обозначения: С₁ – емкость участка, шунтируемого ЧР; С₂ – емкость неповрежденного участка, включенного последовательно С₁; С₀ – емкость оставшейся части изоляции; R – сопротивление канала разряда, в котором рассеивается энергия.

При наличии источников ионизации, когда приложенное к диэлектрику переменное напряжение на дефектной части изоляции станет равным начальному напряжению ионизации U_ни, в диэлектрике начнется частичный разряд. Напряжение на объекте при возникновении разряда

U_p= [(C₁+ C₂)/C₂]U_ни.

Величиной индуктивности в цепи разряда можно пренебречь в виду его небольшого значения, поэтому разряд емкости С₁ происходит через сопротивление R, равное усредненному значению сопротивления канала разряда.

Ток разряда при этом составит

,

где – падение напряжения на дефектной части изоляции;

; .

За время протекания тока частичного разряда нейтрализуется заряд включения , при этом ток разряда

.

К количественным характеристикам ЧР относится его интенсивность. Единичный частичный разряд количественно оценивается кажущимся зарядом q импульса ЧР и его энергией W, а характеристикой серии последовательных импульсов ЧР служит средняя частота f следования импульсов и средний ток I_ЧР. Для оценивания интенсивности ЧР можно использовать мощность Р разрядов, квадратичный параметр Д и суммарный заряд Q за интервал времени Т. Основной количественной характеристикой, измеряемой при определении интенсивности ЧР, является кажущийся заряд импульса. Дополнительно измеряется средняя частота следования или количество импульсов за известный отрезок времени. Иногда измеряется средний ток ЧР и их мощность. Данные о кажущемся заряде и частоте их следования используют для расчета остальных характеристик ЧР.

Акустический метод основывается на регистрации нарушений в работе электрической изоляции и других элементов электрооборудования высокого напряжения, сопровождаемых возникновением акустической эмиссии (акустического излучения) или изменением интенсивности и частотного спектра акустических сигналов относительно излучаемых нормально работающим оборудованием. Прием, обработка, сравнение акустических излучений с предыдущими измерениями входят в сущность акустического метода контроля состояния изоляции. Для выявления дефектов в изоляции можно применять активный акустический метод – ультразвуковую дефектоскопию. В этом случае акустические явления возбуждаются в изоляции с помощью специальных генераторов и преобразователей и после прохождения в прямом и обратном направлениях регистрируются с помощью датчиков.

Все источники акустических излучений можно объединить в три группы:

источники шумов и вибраций;

разряды различных форм в воздухе и на поверхности твердой изоляции, источники излучений работающего оборудования и другие посторонние источники шумов, распространяющиеся в окружающей среде;

разряды в изоляции герметизированных аппаратов.

Достоинство акустических методов следующие: диагностирование ведется при использовании оборудования под высоким напряжением, а отсутствие гальванической связи между источником излучения и приемником обеспечивает высокую защищенность от электромагнитных помех и повышает безопасность работы ЧО. Акустические метод – наиболее эффективный метод обнаружения ЧР в работающем маслонаполненном оборудовании. Современные высокочувствительные измерительно-вычислитльные комплексы позволяют устанавливать связь параметров акустических сигналов с характеристиками ЧР. Частотные спектры акустических сигналов позволяют определить также вид повреждения маслонаполненных аппаратов. Для трансформаторов пиковые частоты в частотном спектре акустических сигналов от ЧР находятся в диапазоне 75–150 кГц, а от вибрации магнитопровода на частотах менее 20 кГц и 20–65 кГц.

Достаточно хорошо разработаны способы определения местоположения источника акустической эмиссии, основанные на измерении затухания, зависящего не только от свойств среды и пройденного сигналом пути, но и от его спектра на определении времени движения акустического сигнала от источника до нескольких датчиков (обычно более 4), расположенных с разных сторон аппарата. В оборудовании сложной конструкции (трансформаторы, реакторы, электрические машины) не удается обнаружить местоположение нарушения (например, ЧР) другими методами – электрическими, тепловизионными и др. В инструкциях по обслуживанию основного энергетического оборудования предписано периодическое прослушивание его во время работы. Такой контроль эффективен при развитии разрушения в случаях, когда интенсивность полезных акустических излучений высока по сравнению с уровнем акустических шумов. Однако реализация акустического метода диагностирования сопряжена с преодолением больших методических трудностей. Эти трудности обуславливаются следующими причинами: сложностью и неоднородностью среды, по которой распространяется сигнал. Например, в трансформаторе на пути акустического сигнала оказывается магнитопровод, обмотки с масляными каналами и с бумажно-масляной изоляцией, барьеры из картона, масло, стенка бака с ребрами жесткости;

необходимостью выделять и обрабатывать полезный сигнал из шумов, на несколько порядков превосходящих его по амплитуде в широком частотном диапазоне. Об интенсивности акустических сигналов, генерируемых ЧР, можно судить по следующим фактам: доля энергии ЧР, преобразуемой в акустический сигнал, обычно не превышает 0.002%, а энергия ЧР составляет десятки микроджоулей;

зависимостью коэффициента преобразования электрической (и других видов) энергии в акустическую от многих факторов.

Для достижения конечной цели – установления корреляции между характеристиками принимаемого акустического сигнала и параметрами дефекта – необходимо решить три задачи: определить форму волны акустического излучения, откалибровать пьезоэлектрический преобразователь, определить пересчетом параметры акустической волны от источника.

Оптический метод используют для контроля изоляции установок и аппаратов высокого напряжения, который базируется на трех оптических эффектах, зависящих от качества изоляции в исходном состоянии и от стадии ее старения: излучения света при развитии различных форм разряда, изменения оптических характеристик изоляционного материала, изменения его цветовых характеристик.

В зависимости от интенсивности и места развития ионизационных процессов, характера среды, в которой они развиваются, наблюдение и контроль можно осуществлять невооруженным глазом с помощью простейших приборов (биноклей, зрительных труб) или с использованием фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей и электронно-оптических преобразователей.

Повреждение элемента изоляционной конструкции, сопровождающееся перераспределением электрического поля, возникновением ЧР, ПЧР и других форм разряда вызывает изменение характеристик оптического излучения – спектра, интенсивности, занимаемого объема и расположения в пространстве. Сопоставление их с характеристиками излучения от нормально работающих конструкций позволяет оценивать состояние изоляции. Наибольшее распространение оптический метод, основанный на регистрации оптических излучений, получил в практике диагностирования изоляции ЛЭП и подстанционной изоляции. Метод позволяет обнаружить дефектные и пробитые элементы, оценить снижение уровня изоляции при ее загрязнении и увлажнении, определить эффективность мер повышения разрядных напряжений (экраны и полупроводящие покрытия). Разработка и использование миниатюрных оптических датчиков и оптоволоконных кабелей позволяет использовать оптические методы для диагностирования изоляции КРУЭ выключателей, трансформаторов, электрических машин и кабелей.

В последние годы широкое применение нашел метод контроля процессов окислительного старения жидких и твердых органических диэлектриков, основанный на регистрации люминисцентного свечения. В процессе окисления углеводородных соединений возникает хемилюминисценция, по интенсивности которой можно судить о скорости и стадии окислительного старения, об эффективности применения антиокислителей. Изменение внутренних оптических свойств изоляции как характеристик ее старения применимо к изоляционным конструкциям сравнительно простой конфигурации из оптически прозрачных материалов (опорные, подвесные и проходные изоляторы). Контроль за таким изменением можно осуществлять с помощью регистрации характеристик рассеяния светового излучения в контролируемом материале. Основные достоинства метода светорассеяния заключаются в высокой чувствительности, возможности использования электромагнитных излучений различных областей спектра. Он позволяет решать три практические задачи: обнаружение в изоляции критических нарушений, прогнозирование срока службы изоляции, со­поставление различных изоляционных материалов по их стойкости к действию электрического поля.

Для обнаружения микро- и субмикроскопических нарушений сплошности непрозрачных материалов (микротрещины, микропустоты, расслоения) можно использовать малоугловое рентгеновское рассеяние, электронную микроскопию, дефектоскопию с помощью радиоволн с круговой поляризацией. Малоугловое рентгеновское рассеяние как ме­тод контроля развития микротрещин в процессе электрического ста­рения апробирован на полимерах и показал свою эффективность.

На измерении оптических характеристик основан метод оценки загрязнения изоляционных жидкостей твердыми частицами, попадающи­ми в жидкость в результате ее контакта с твердыми изоляционными и конструкционными материалами, а также образующихся в жидкости вследствие ее химических изменений.

Измерение коэффициента пропускаемости света жидкостью при различных сроках ее эксплуатации и сравнение ее с показателем для эталонного образца этой жидкости дает информацию не только о ско­рости старения, но и о преобладающих причинах этого процесса. Пос­леднее удается сделать при измерении коэффициента пропускаемости света для различных частей спектра, поскольку от длины волны све­та среды зависит соотношение между процессами поглощения, отраже­ния и рассеяния света. Этот метод по сравнению с электрическими методами измерения диэлектрических характеристик обладает повы­шенной чувствительностью, меньшей трудоемкостью подготовки проб и меньшим их объемом. Контроль загрязнения трансформаторного масла продуктами разложения под действием электрических разрядов можно осуществлять по величине диэлектрической проницаемости, оценивае­мой по изменению поляризации лазерного луча, проходящего через масло.

Термическое, радиационное и другие виды старения изоляции обычно сопровождаются изменением цвета изоляции. Изменение цвета осуществляется измерителем цветовой разности. Этот способ удобен простотой, портативностью устройства, пригодностью для неразрушающего контроля изоляции электрических аппаратов на месте.