Дистанционная диагностика дефектов в высоковольтных изоляторах в условиях эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Марданов Георгий Дамирович

• Марданов Георгий Дамирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Марданов Георгий Дамирович

ВВЕДЕНИЕ

1 .ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

1.1 Общие положения

1.2 Теоретическое описание дефектов диэлектрик-зазор-диэлектрик и металл-зазор-диэлектрик

1.3 Модельное распределение приложенного и индуцированного

поля на дефекте

1.4 Выводы к главе

2 .ОБНАРУЖЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПОВЫШЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРАХ В УСЛОВИЯХ ПРИЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

2.1 Предварительные результаты по измерению полей на дефектах

2.2 Бесконтактный метод измерения напряженности полей на ВИ

2.3 Результаты измерения полей на дефектах в ВИ

2.4 Выводы к главе

3. ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ДЕФЕКТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОЧЕЕ СОСТОЯНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

3.1Введение

3.2 Методические особенности регистрации характеристик ЧР

3.3 Особенности фазового распределения импульсов ЧР от дефектов в фарфоровых опорных высоковольтных изоляторах

3.4 Выводы к главе

4 .ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ДЕФЕКТОВ И МЕСТА ИХ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ФАРФОРОВЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРАХ

4.1 Особенности характеристик ЧР для дефектов типа стержень -оконцеватель в фарфоровых изоляторах

4.2 Особенности и отличия характеристик ЧР детектированных электромагнитным и акустическим датчиками

4.3 Характеристики импульсов отдельных частичных разрядов

4.4 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

В условиях одновременной эксплуатации на малом пространстве большого количества высоковольтных изоляторов (ВИ), что характерно для большинства подстанций энергетических систем, весьма актуальной является бесконтактная диагностика под рабочим напряжением. Реально использующиеся сейчас способы контроля состояния ВИ и прогнозирования дальнейших сроков их эксплуатации пока малоэффективны. Вследствие этого в последние десятилетия большое внимание было обращено на разработку неразрушающих бесконтактных способов контроля ВИ [1]. К настоящему времени одним из наиболее эффективных является способ, использующий эффект так называемого «частичного разряда» (ЧР) [2], т.е. электрического разряда, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, находящимися под разными потенциалами. ЧР возникают вследствие ионизации газа или диэлектрика в электрическом поле и могут происходить как на поверхности раздела различных сред, так и внутри ВИ. Физической причиной возникновения ЧР является пробой промежутка между электродами в приложенном электрическом поле. При исправном состоянии ВИ, ЧР в основном возникают при напряжениях, превышающих рабочее напряжение для данного типа ВИ. Однако вследствие образования различных дефектов (трещины, газовые включения, расслоения и т.д.) напряженность электрического поля на дефекте может превышать напряженность поля в окружающем диэлектрике, что и является причиной пробоя или перекрытия изоляции по поверхности. ЧР, будучи следствием возникновения дефектов, в тоже время могут при значительном увеличении мощности и количества приводить к частичному или полному разрушению ВИ. Таким образом, метод регистрации ЧР обладает определенными преимуществами по сравнению с другими физическими или химическими методами, поскольку позволяет выявлять дефекты на первоначальной стадии и тем самым диагностировать рабочее состояние ВИ без его вывода из эксплуатации. Такие характеристики ЧР, как понижение порога их

возникновения, увеличение интенсивности и частоты повторения, могут служить индикатором возникновения первичных дефектов в ВИ. Основными проблемами при использовании дистанционного метода регистрации ЧР в ВИ являются неразработанность соответствующей аппаратуры и отсутствие нормированных параметров ЧР реальных ВИ. Даже в новом ГОСТе 55191 Р 2012 и международном стандарте IEC - 60060 - 1.2010 не содержатся какие-либо нормативы для бесконтактной и дистанционной диагностики ВИ [3]. Это обстоятельство во многом связано как с существенным различием диэлектрических материалов, применяемых в ВИ (стекло, фарфор, различные полимеры и т.д.), так и различием сигналов ЧР по физическим характеристикам. Поскольку внешние проявления ЧР, связанные с протекающим

7

электромагнитным импульсом, в широком временном интервале (10- - 10- с) происходят в окружающем пространстве в виде электромагнитных импульсов (начиная от оптического и кончая радиочастотным диапазоном), скачков давления (акустических импульсов), градиентов температуры, что не позволяет пока сформировать единые нормы для сопоставления характеристик ЧР для всех видов ВИ.

В настоящее время в энергетических системах в основном используются три типа ВИ - опорные, подвесные и проходные. Ранее диэлектрические элементы ВИ изготовлялись последовательно во времени из стекла, затем из изоляторного фарфора, а последние два десятилетия из высокомолекулярных материалов. Причем до сих пор в высоковольтных системах могут присутствовать различные типы ВИ с большим разбросом времени изготовления и эксплуатации. Поэтому одной из главных задач поддержания безаварийной работы энергетического оборудования является контроль и диагностика рабочего состояния ВИ в процессе их эксплуатации. На кафедре промышленной электроники Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) экспериментальные и теоретические исследования электрофизических свойств ряда диэлектрических материалов, находящихся под высоким напряжением, и разработка общих принципов контроля рабочего состояния ВИ в процессе

эксплуатации начались еще в конце ХХ века. Основное внимание было обращено на разработку бесконтактного дистанционного метода измерения характеристик ЧР. В ходе стендовых испытаний ряда известных методов было установлено, что наиболее достоверным при дистанционном контроле является комплексный метод с одновременным использованием электромагнитных и акустических датчиков, защищенным патентом России [4]. Затем на этой основе был разработан и изготовлен бесконтактный двухканальный аппаратно-программный комплекс (АПК). С помощью АПК были выполнены стендовые и полевые испытания различных видов ВИ, которые позволили выявить дополнительные диагностические характеристики ЧР [5], что повысило достоверность оценок рабочего состояния ВИ в процессе эксплуатации. Эти разработки стали основой диссертационных работ А. Ю. Черномашенцева и Р. А. Хуснутдинова.

Однако в те годы не были разработаны методы дистанционного определения вида, места расположения дефектов, степени их влияния на дальнейшую работоспособность ВИ, а также не исследовалось преддефектное состояние ВИ. На необходимость таких исследований указывалось в работах ряда исследователей [6, 7]. Выполнявшиеся в те годы теоретические работы касались лишь только динамики ЧР на дефектах в модельном представлении [8-10].

В сложившейся ситуации представлялось актуальной разработка комплексного метода, и соответствующего ему приборного обеспечения, для дистанционной бесконтактной диагностики рабочего состояния на всех этапах их эксплуатации, начиная с момента включения ВИ в электрическую сеть.

Методология и методы исследования

Объект исследования: полимерные и фарфоровые высоковольтные изоляторы, находящиеся на объектах эксплуатации под рабочим напряжением.

Предмет исследования: процессы излучения ЧР на дефектах ВИ под действием рабочего напряжения.

Цель работы: разработка комплексного дистанционного метода и соответствующей автоматизированной системы для бесконтактного определения рабочего состояния ВИ, обнаружения дефектов, их вида, места расположения,

влияние на работоспособность до постановки в эксплуатацию, в процессе эксплуатации и после эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе анализа известных теоретических и экспериментальных исследований оценить наиболее характерные для ВИ дефекты и степень их влияния на рабочее состояние ВИ.

2. Разработать дистанционный метод и устройство для выявления в ВИ локальных областей с повышенной напряженностью электрического поля под рабочим напряжением.

3. Разработать комплексный метод, позволяющий дистанционно с помощью электромагнитных и акустических датчиков измерять набор характеристик ЧР, с помощью которого можно было бы определять вид и место расположения дефектов и степень их влияния на работоспособность ВИ.

4. Установить критериальные возможности оценки рабочего состояния ВИ на основе анализа измеренных параметров ЧР и градиентов электрических полей.

Методы исследования

Для решения основных задач диссертационной работы использовались:

- теоретические основы электрофизических процессов старения и разрушения диэлектрических материалов, используемых в ВИ.

- экспериментальные исследования проводились с комплексным использованием бесконтактных электромагнитных, акустических и электрооптических датчиков, обработка результатов выполнялась с помощью среды математического моделирования Lab View

Научная новизна работы

1. Предложен и разработан новый подход к обнаружению вида и места расположения на ВИ наиболее опасных дефектов и их влияния на рабочее состояние на основе дистанционного измерения повышенных градиентов электрического поля и набора параметров ЧР.

2. Разработан способ и устройство на основе использования бесконтактного электрооптического датчика для определения локальных областей с повышенным градиентом напряженности поля при рабочем напряжении.

3. Разработана и апробирована комплексная методика дистанционного измерения параметров частичных разрядов с помощью электромагнитного и акустического датчиков в условиях функционирования ВИ на сетевых высоковольтных подстанциях.

4. По результатам обследования серии ВИ на подстанциях установлен набор диагностических признаков параметров ЧР, включая форму импульсов ЧР, позволяющий определять вид, место расположения наиболее опасных дефектов.

Теоретическая и практическая значимость

1. Разработанный метод, позволяющий проводить периодическое обследование состояния ВИ, может быть использован для более полного изучения процессов старения диэлектрических материалов, включая возникновение разнообразных дефектов под длительным воздействием сильных электрических полей.

2. В работе продемонстрирована реальная возможность использования разработанного комплексного метода и созданного аппаратно-программного комплекса для обнаружения наиболее опасных дефектов, их вида и места расположения с оценкой их влияния на работоспособность высоковольтных электрических подстанций и сетей.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный комплексный дистанционный метод диагностики дефектов в ВИ, включающий обнаружение и измерение локальных областей с повышенными градиентами полей при рабочем напряжении, обнаружение дефектов по характеристикам ЧР, позволяет выполнять более точную оценку вида и параметров наиболее опасных дефектов при дальнейшей эксплуатации высоковольтного оборудования.

2. Разработанные бесконтактный метод и устройство позволяют выявлять локальные области повышенных градиентов поля в ВИ, которые могут быть причиной возникновения дефектов в процессе эксплуатации.

3. Полученный в результате полевого обследования набор диагностических признаков, содержащийся в параметрах ЧР и локальных перенапряжений, позволяет обнаруживать дефекты дистанционно на ранней стадии их возникновения.

4. Комплексное дистанционное измерение характеристик и формы отдельных импульсов ЧР позволяет определять вид, место расположения и параметры наиболее опасных дефектов, возникших в процессе эксплуатации ВИ.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов подтверждается согласованностью результатов по характеристикам ЧР, полученных различными методами, с результатами практических испытаний изоляторов в полевых условиях. Результаты работы не противоречат известным положениям науки и опубликованным в научно-технической литературе данным.

Личный вклад автора: автор непосредственно участвовал во всех этапах разработки методики и аппаратуры, получении результатов по характеристикам ЧР представленных в диссертации и публикациях; в разработке алгоритмов исследований, выполнении стендовых и полевых измерений, в подготовке статей и докладов и выступлений на конференциях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дистанционная диагностика дефектов в высоковольтных изоляторах в условиях эксплуатации»

Апробация работы

Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII ежегодной конференции компании National Instruments, 2014 г., Москва; XX, XXIII, XXIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2014, 2017, 2018 гг., Москва, МЭИ; IX, XIII международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения», 2014, 2017 гг., Казань, КГЭУ; XI Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС-2015)», 2015 г., Чебоксары; Международной научно-

технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2016», 2016 г., Томск; X Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», 2016 г., Чебоксары; VII-XI аспирантско-магистерских научных семинарах, посвященных Дню энергетика, 2014-2018 гг., Казань, КГЭУ; XXVIII и XXXI Уральских конференциях «Физические методы неразрушающего контроля», Екатеринбург, 2015, 2018 гг.

Часть исследований была выполнена при поддержке гранта РФФИ №18-0800203.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах, из них 2 статьи в журналах, индексируемых в международных базах данных Web of Science/SCOPUS, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 патента на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 11 публикаций в материалах всероссийских и международных научных конференций.

Соответствие паспорту специальности

Работа соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

1. Разработанный комплексный метод дистанционной диагностики дефектов в ВИ является усовершенствованием ранее предложенных методов контроля ВИ, что соответствует п. 1 Паспорта специальности - «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

2. Разработка и создание способа и устройства для определения локальных областей в ВИ с повышенным градиентом поля соответствует п. 3 -«Разработка, внедрение и испытание приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами паспорта специальности.

3. Разработка программно-аппаратных средств управления процессом регистрации, накопления и обработки сигналов импульсов ЧР от дефектов ВИ в АПК соответствует п. 6 - «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информационных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» паспорта специальности.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, списка публикаций автора, включающего 17 наименований, и списка литературы, включающего 57 наименований, 1 приложения. Общий объем работы составляет 98 страниц машинописного текста, включает 35 рисунков, 3 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы и проведенных исследований, определены цель и задач работы, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость, сформулированы выносимые на защиту научные положения, приведены сведения о публикациях и апробации.

Первая глава представляет собой аналитический обзор современных представлений о различных особенностях электрофизических процессов в фарфоровых и полимерных материалах, приводящих к старению и последующему возникновению дефектов в керамических и полимерных изоляторах. Далее приведено теоретическое описание взаимодействия приложенных электрических полей с двумя видами дефектов в виде газовых полостей типа: диэлектрик -полость - диэлектрик и металл - полость - диэлектрик. Показано, что во втором виде дефекта в процессе частичного пробоя большую роль играют возникающие индуцированные заряды на поверхности диэлектрика. Поля этих зарядов могут значительно изменять как интенсивность и частоту повторения ЧР, так и их распределение по фазам приложенного напряжения. Основное внимание обращено на разработку метода определения вида и места расположения дефектов в процессе эксплуатации ВИ для двух наиболее важных случаев: дефект на поверхности или приповерхностном слое стержня, а также на защитной

оболочке полимерного ВИ и дефект в узле фланец - стержень (труба), по особенностям характеристик ЧР.

На основе анализа известных данных и предварительных экспериментов в конце главы сформулированы необходимые требования к выполнению работы и основная концепция исследования.

Вторая глава начинается с описания этапа ввода ВИ в эксплуатацию, при регулярных технических стендовых испытаниях и сопровождения его процессом бесконтактной дистанционной диагностики. Основное содержание главы посвящено способу бесконтактной диагностики состояния опорных и подвесных высоковольтных изоляторов, бесконтактному методу измерения напряженности полей на ВИ. Далее представлена принципиальная схема устройства разработанного способа бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных и подвесных ВИ. В главе описана новая методика определения возникновения преддефектного состояния за счет выявления областей с повышенной напряженностью электрического поля путем измерения градиентов напряженности электрического поля с последующим выделением дефектов.

Третья глава посвящена определению дефектного состояния ВИ по характеристикам частичных разрядов в фарфоровых и полимерных изоляторах, а так же диагностированию степени дефектности высоковольтных изоляторов дистанционно при регистрации определенного набора характеристик ЧР не менее чем двумя датчиками, использующими различные частотные диапазоны 40 -100 кГц и 500 - 1000 МГц по следующим диагностическим признакам: повышение интенсивности и количества ЧР за дискретный фазовый интервал, наличие мощных разрядов, превышающих средние значения, сдвиг фазовых интервалов излучения ЧР.

Четвертая глава содержит описание разработанного набора характеристик ЧР, позволяющего выделять дефекты типа "на стержне" и "стержень-оконцеватель" в различных видах ВИ. Далее приведены электрофизические процессы, которые на наш взгляд адекватно отображают разряды на дефектах и вполне согласуются с характеристиками ЧР. В результате углубленного

компьютерного анализа полученных характеристик ЧР для полимерных и фарфоровых изоляторов были установлены критериальные значения параметров ЧР, позволяющие определять вид и место расположения дефектов, их интенсивность и степень влияния на работоспособность ВИ. Определенное внимание в главе обращено на изучение формы и длительности одиночных импульсов ЧР, что позволило их характеризовать в качестве одного из критериальных признаков для определения вида и места расположения дефектов на ВИ.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Вадиму Алексеевичу Голенищеву-Кутузову за полезные консультации в ходе выполнения работы, заведующему кафедрой «Промышленная электроника и светотехника» Казанского государственного энергетического университета Александру Вадимовичу Голенищеву-Кутузову за помощь и поддержку.

1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ возникновение частичных разрядов

1.1. Общие положения

Частичные разряды в высоковольтном оборудовании стали наблюдаться еще в 30-е годы ХХ века, а уже в 1939 году в СССР появилась первая статья об индикации ЧР в высоковольтных системах [1]. Исследования электрофизических процессов, сопровождающих ЧР, и их влияния на устойчивость изоляции и обратном эффекте зависимости характеристик ЧР от дефектности изоляции выполняются уже более 60 лет [2]. Практически столько же времени разрабатываются различные способы детектирования ЧР и возможности использования параметров ЧР для диагностики высоковольтного энергетического оборудования [3-6]. Интенсивно обсуждается даже само понятие "кажущийся заряд" [7] и способы его измерения, поскольку это понятие лежит в основе определения характеристики ЧР в современных ГОСТах и международных стандартах [8, 9]. Однако указанное противоречие между кажущимся и истинным зарядами ЧР относится только к контактному электрическому методу измерения интенсивности и количества ЧР, а в использованном нами способе дистанционного измерения электромагнитным приемником возможно прямое определение "истинного заряда" ЧР.

Тем не менее, в течение нескольких десятилетий постепенно были разработаны несколько дистанционных бесконтактных методов измерения характеристик ЧР (наиболее известны электромагнитный и акустический методы) [10-15]. Недостатком применения этих методов является отсутствие нормативных документов, включая ГОСТы и международные стандарты по количественным оценкам параметров ЧР. Также не нормированы и получаемые разнообразные характеристики ЧР, такие, например, как амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы и анализ формы сигналов одиночных импульсов ЧР.

К настоящему времени контактные и бесконтактные методы измерения характеристик ЧР более или менее полно разработаны для таких высоковольтных объектов энергетики как трансформаторы, электрические машины, разнообразные кабели и некоторые более экзотические высоковольтные энергетические устройства [16-20]. Значительно меньше разработаны экспериментальные способы диагностирования высоковольтных опорно-стержневых изоляторов, особенно в процессе эксплуатации под рабочим напряжением. Дело в том, что именно эти виды изоляторов наиболее подвержены воздействию не только электрических, но и сильных механических нагрузок, вызываемых перепадами температур и атмосферных давлений. Необходимость повышения качества контроля состояния и надежности их эксплуатации были отмечены в приказе РАО "ЕЭС России" [21] и других документах. Кроме того, высоковольтные изоляторы (ВИ) обладают более сложными конструкционными особенностями, сочетающими в себе металлические и диэлектрические элементы. Поэтому более полная и совершенная диагностика рабочего состояния ВИ, основанная на оценке параметров ЧР, возможна только на более глубоком изучении процессов и механизмов самих ЧР, их зарождения, развития и прекращения.

До настоящего времени теоретическому [22-30] и менее распространенному экспериментальному [31-33] изучению характеристик ЧР на дефектах было посвящено значительное количество исследований. Однако в большинстве из них рассматривались особенности ЧР на дефектах в виде трещин или полостей в эталонных диэлектрических материалах с однородной структурой матрицы (фарфор или эпоксидная смола) [34, 35].

В тоже время в ВИ используются как минимум два материала (диэлектрические стержни и металлические электроды-фланцы в керамических ВИ) и три материала (фланцы, стеклопластиковые стержни (или трубки) и резиновые ребристые оболочки в полимерных ВИ). Во всех случаях ЧР возникают в условиях наличия каких либо дефектов уже при приложении стандартного рабочего напряжения. Более того, в ряде случаев, особенно в полимерных ВИ, сами ЧР являются причиной ускоренного старения ВИ. В

большинстве случаев ЧР возникают при частичном (неполном) электрическом пробое воздушного промежутка, поскольку в нем напряженность Ек приложенного электрического поля Еа выше, чем в однородном диэлектрике Eii

Ек = (ed/eb) Ei, (1.1)

где ed и eb соответственно диэлектрические проницаемости твердого диэлектрика и воздуха (газа).

Повышение напряженности в воздушном зазоре будет приводить к изменению значений поля пробоя. При этом ионизационные процессы (тлеющий и частичный разряды) будут начинаться при существенно меньшем напряжении, чем в основном изоляционном промежутке. Продукты ионизации (свободные электроны и ионы) выходят из воздушного промежутка на поверхность диэлектрика и инициируют его дальнейший пробой или перекрытие при пониженном напряжении. При этом практически всегда пробой происходит не за счет разряда непосредственно через диэлектрик, а через его границу с воздухом (ипер ). Это наиболее характерно для опорных изоляторов.

Электрическому пробою газового промежутка предшествует несколько этапов ионизации. На первом из них первичные электроны, в основном испускаемые с электродов, ионизируют нейтральные атомы и создают дополнительные электроны. Эти движущиеся в электрическом поле электроны образуют лавины. Для образования электрического разряда, причем первичный разряд имеет вид отдельных узких струек (стримеров), необходимо, чтобы каждый электрон на пути d0 между электродами осуществлял определенное число ионизаций К:

К = ado, (1.2)

где a - коэффициент ударной ионизации.

В реальных условиях коэффициенту К можно сопоставить напряжение электрического пробоя ипр:

Р

Ипр = а — ¿0 + Ь Ро

Р

— ¿0, (1.3)

Ро

где Р - давление газа, Р0 - нормальное давление (101,3 кПа, Т = 293 К).

Для воздуха при нормальных условиях (Р = Р0) а = 24,5 кВ/мм, Ь = 6,4 кВ/см. Таким образом, в первом приближении

Цар ~ а^, (1.4)

т.е. пробивное напряжение линейно растет с увеличением разрядного промежутка.

Однако при величине расстояния между электродами меньше 1 см, наоборот, электрическая прочность газов возрастает, что связано с изменением условий развития разряда. Поскольку нарастание числа электронов п в лавине подчиняется экспоненциальному закону.

При возникновении локального перенапряжения Ек, превышающего пороговое поле электрической прочности (Ев), возникают ЧР. Случайное распределение моментов ЧР и сильная вариация их интенсивностей позволяет относить природу ЧР к стохастическим процессам. Сложность определения параметров ЧР также зависит от эволюции распределения электрических полей внутри промежутка пробоя во временном интервале воздействия высокого напряжения.

1.2. Теоретическое описание дефектов диэлектрик-зазор-диэлектрик и

металл-зазор-диэлектрик

Ранее [23, 24] в ряде работ предполагалось, что амплитуда (интенсивность) ЧР q через дефект в виде полости, заполненной газом, главным образом определяется разностью значений критического поля до заряда Ев и остаточного поля после разряда Ег:

q = С(Е - ЕгК (1.5)

где С - емкость разрядного промежутка, й - ширина полости. Однако практически в те же годы было показано, что необходимо при оценке величины q и других характеристик ЧР учитывать влияние перераспределения зарядов на поверхностях диэлектрика, образующих полость [17]. При малых толщинах полостей возникают в основном нормальные разряды (рис. 1.1), каналы которых ориентированы вдоль приложенного поля. При малой длине канала разряда, сами разряды не могут создавать на диэлектрических поверхностях вторичных электрических полей, достаточных для возникновения тангенциальных полей вдоль поверхностей диэлектрика (рис 1.2).

Как известно [2, 6], такие поверхностные частичные разряды (ПЧР) в

10 2

воздухе могут возникать при плотности осевшего заряда q > 10- Кл/мм . В частном случае при воздушной полости, расположенной между электродом и диэлектриком, ширина полости, необходимая для возникновения ПЧР, определяется следующим эмпирическим выражением [6].

Лгр > - 2,8 [Ли / £и]2 + 3,3 [Ли / £и] - 0,05, (1.6)

где Ли - толщина диэлектрика.

а)

б)

Рис. 1.1. Распределение электрического поля в полости при возникновении ЧР: а) в отсутствии ЧР; б) при ЧР. 1 - металлические электроды; 2 - диэлектрик; 3 - полость; 4 - искажение силовых линий при возникновении ЧР; 5 - поверхности диэлектрика, на которых при ЧР оседают заряды

Рис. 1.2. Схема разрядов на дефекте в виде полости на границе стержень-оконцеватель. 1 - границы диэлектрика с полостью, 2 - граница оконцевателя; 3 - ЧР между границами полости; 4 - поверхностные ЧР вдоль поверхности

Поскольку для ВИ в выражении (1.6) превалирующим является второй член, то приближенно критическая ширина полости прямо пропорциональна толщине диэлектрика, и, следовательно, возникновение ПЧР наиболее вероятно для дефектов, находящихся вблизи фланцев. ЧР возникают в виде импульсов тока с продолжительностью до 10-10-10-11с и имеют частотный интервал от кГц до ГГц. Верхний предел спектра колебаний в ЧР пока установлен при частоте 33 ГГц, что, по-видимому, не предельная частота [36].

В последующих работах [10, 27, 31] процесс возникновения ЧР был смоделирован на дефекте (рис 1.2, 1.3), образованном между металлическим электродом и плоским диэлектриком с воздушным зазором между ними. Было предположено, что при приложении высоковольтного переменного поля в воздушном зазоре возникают ЧР. Сами ЧР имеют двухстадийный характер: на первом этапе в воздушном зазоре между металлическими электродами, а на втором - вдоль поверхностей диэлектрика (поверхностный частичный разряд -ПЧР). Авторы [26] для его описания использовали систему уравнений, представляющих одновременное перемещение зарядов и изменение напряжения комплексных электрических полей в следующем виде.

Рис. 1.3. Электродная структура симуляции ЧР: 1 - электроды, 2 - полость, 3 - диэлектрик, 4 - первичные ЧР (стримеры), 5 - ПЧР

Временные изменения плотностей заряда для электронов Ке, положительных ионов Кр, отрицательных ионов N и скорости дрейфа для электронов 'е, положительных 'р и отрицательных 'п ионов, подвижностей электронов, положительных и отрицательных ионов соответственно Ме, Мр, Мп, описываются следующими уравнениями:

^=Меа/ Ше -Ке11 -КеКрA-V(КеШе -ВШе), т г

Ж

= Хеа!We - КеМрР- МрЖр), (1.7)

= КеЛ/^е - КпКрР - V(Кп^п ),

^е, п, р №е,п, рЕ,

где а, в, п, & соответственно коэффициенты ионизации, поглощения,

п

рекомбинации и диффузии электронов; коэффициенты рекомбинации п = 2 х 10" принимаются одинаковыми для процессов взаимодействия, положительный ион -электрон, положительный ион - отрицательный ион [2]. В данной системе уравнений диффузия ионов много меньше, чем электронов и, следовательно, а и 'е определяются только как Ек/К, где Ек - локальное электрическое поле и N -плотность газа в полости.

Электрическое поле, контролирующее перемещение зарядов, было представлено посредством решения уравнения Пуассона:

V V-—(Кр - Кп - Ке), (1.8)

880

где ф - потенциал электрического поля, е - заряд электрона, 880 - диэлектрическая проницаемость.

Следовательно, решение данной задачи должно быть связано с перемещением первоначально ионизированных частиц вдоль оси ъ до достижения ими свободной поверхности диэлектрика, а затем и перемещения вдоль диэлектрической поверхности (рис 1.3). В одномерном приближении, когда высокое напряжение прикладывается к металлическим электродам, граничные условия предполагают: на аноде нулевую плотность положительных ионов, нулевую производную для плотности (неизменность) электронов и отрицательных ионов, а на катоде - способность поверхности поглощать отрицательные ионы. Предполагается, что все заряды аккумулируются на диэлектрической поверхности. После изменения знака приложенного напряжения соответственно изменяются краевые условия.

В данном рассмотрении учитывается, что поверхностная проводимость диэлектрика близка к нулевой и, следовательно, распределение зарядов на поверхности не изменяется после окончания ЧР до возникновения последующего разряда. Таким образом, в каждый момент времени приложения переменного поля его напряженность Еа складывается (вычитается) в зависимости от соотношения его знака с полем зарядов и следующий ЧР возникает, когда это общее поле Ег будет превосходить критическое поле Ев:

Е = (± Еа + Е )> Ев. (1.9)

Электрический пробой воздушного промежутка внутри полости возникает при напряжении ив, значение которого описывается при нормальном атмосферном давлении следующим эмпирическим уравнением [26], основанном на известном законе Пашена ив = / (рё):

Ив = 24,41 (рб/)+6,737р£/,

(1.10)

где р - плотность воздуха, й - размер (толщина) полости. Электрическая прочность воздуха в зависимости от й и различных р представлена на рисунке 1.4 [6].

Рис. 1.4. Зависимость электрической прочности воздушных промежутков от их толщины при различных давлениях при температуре 20 0С

Использование зависимости Ев от размера полости позволяет при измеренных значениях поля ЧР определять размеры дефекта в местах малодоступных для прямых измерений размеров дефекта (например, при дефекте стержень-оконцеватель).

Полярность ЧР соответствует направлению дрейфа положительных или отрицательных зарядов. Положительные разряды и токи в импульсах создаются положительными зарядами во время разрядного дрейфа их вдоль оси ъ. В результате такого дрейфового тока на поверхности диэлектрика в области разряда возникает более высокая плотность положительных зарядов по сравнению с остальной поверхностью, не охваченной ЧР. В условиях положительного полупериода приложенного напряжения поле зарядов будет уменьшать его значение, а последующий ЧР будет происходить вне области предыдущего ЧР, что создает флуктуации интенсивности ЧР. При таком процессе на поверхности диэлектрика может возникать сильное радиальное поле (тангенциальное поле

вдоль осей х и у). Если площадь предыдущего ЧР была велика в общей поверхности диэлектрика, то область последующего ЧР будет малой, как и интенсивность. Это утверждение справедливо и для противоположного случая. Изменение структуры заряда на поверхности диэлектрика после каждого ЧР является не только главной причиной стохастичности ЧР, но может быть причиной возникновения поверхностных частичных разрядов (ПЧР). Поскольку наибольшее изменение напряженности поля на поверхности при ЧР возникает вблизи канала ЧР (рис. 1.1), а затем экспоненциально спадает, то при Е = (ф1 - ф2)/Л > Ев может возникать ПЧР.

1.3. Модельное распределение приложенного и индуцированного полей на

дефекте

В соответствии с ранее предложенной теоретической моделью процессов ЧР на дефекте [26], рассмотрение конкретных изменений индуцированных полей на поверхности диэлектрика, граничной полости и характеристик ЧР целесообразно рассматривать в зависимости от фазы приложенного переменного поля Еа, начиная с нулевой фазы ф > 0.

В этом случае на свободной поверхности диэлектрика уже существует распределение отрицательных зарядов, наведенных предыдущими положительными ЧР при фазовых углах 3000 < ф < 3600 (рис 1.4). Эти заряды на поверхности диэлектрика создают поле Е^ совпадающее по знаку с приложенным в положительной фазе полем Еа. Поскольку (Е; + Еа) > Ев, то в фазовом интервале 0 < ф < 900, возникает генерация положительных ЧР.

Однако с ростом фазовых углов и соответственно приложенного поля Еа (ф < 900) в условиях генерации ЧР на поверхности диэлектрика будут накапливаться положительные заряды за счет ионизации разрядного промежутка. Эти заряды образуют поле Е^ противоположное по знаку приложенному полю Еа. С увеличением фазовых углов (ф < 900) внутреннее поле будет возрастать, что

приводит к уменьшению суммарного поля Ег. В конечном итоге при Ег < Ев процесс генерации положительных ЧР прекращается.

В спадающей фазе приложенного напряжения (1350 < ф 1800), одновременно с уменьшением напряжения в условиях сохранения поля положительных зарядов на поверхности диэлектрика, возникает процесс генерации отрицательных ЧР полем Ег-, если оно превосходит по напряженности не только Еа, но и поля пробоя Ев Ег = (-Е, + Еа) > Ев. Процесс излучения ЧР продолжается до изменения полярности приложенного напряжения. После изменения знака Еа (при ф больше 1800) и сохранения поля зарядов на поверхности диэлектрика продолжается образование отрицательных ЧР. Отрицательные ЧР по мере увеличения фазовых углов приложенного напряжения и его напряженности больше 1800 создают на поверхности диэлектрика поле отрицательных зарядов, которое, в конечном итоге, будет превышать напряженность приложенного поля и ЧР прекращаются (ф < 2700).

С дальнейшим увеличением фазовых углов отрицательное по знаку приложенное напряжение спадает, а сохраняющееся зарядовое поле на поверхности достаточно для возбуждения положительных ЧР (ф > 3000). Процесс образования положительных ЧР продолжается и при переходе фазового напряжения на новый цикл.

Результаты теоретического построения зависимостей индуцированных полей и ЧР от фазы приложенного напряжения, как будет показано ниже, вполне удовлетворительно совпадают с экспериментально полученными фазовыми распределениями количества и интенсивности ЧР, изложенными в гл. 3 и 4.

Вид дефекта отражается и на форме импульсов ЧР. Это обстоятельство неоднократно пытались использовать для контроля и определения дефектов в ВИ. Однако само измерение формы импульсов при использовании контактного метода связано с определенными дополнительными сложностями, зависящими от метода детектирования. В различных способах детектирования, на форму импульсов влияют параметры резонансных контуров, резистивные или емкостные связи, поэтому в ряде случаев наблюдались как экспоненциальные, так и колебательные

формы с различной длительностью самих импульсов ЧР [37, 38]. По-видимому, наиболее точную форму и длительность импульса можно определить с помощью детектирования импульсов бесконтактным электромагнитным методом на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Марданов Георгий Дамирович, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архангельский К.С., Власов А.Н. Индикатор частичных разрядов // Электричество 1939. № 1.

2. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. М.-Л.: Энергия, 1979. 270 с.

3. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1994.

4. Kruger F.H. Partial discharge detection in high-voltage. Equipment. Deft. Netherland, 1984. 185 p.

5. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат.1992.

6. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Новосибирск: Наука, 2008.

7. Овсянников А.Г., Коробейников. С.М., Вагин Д.В. Связь кажущегося и истинного зарядов частичных разрядов // Электричество. 2014. №8. С. 37-43.

8. ГОСТ Р 55191 Методы испытаний в высоком напряжении. Измерения частичных разрядов. М.: Росстандарт, 2012.

9. Международный стандарт IEC 60060 - 1.2010 Методы испытаний высоким напряжением.

10. Куперштох А.Л., Станалойос С.П., Агорис Д.П. Моделирование частичных разрядов в твердых диэлектриках на переменном напряжении // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. В. 15. С. 74-81.

11. Захаров А.А., Голенищев-Кутузов А.В., Федоров Г.С. Оптимальная форма представления параметров частичных разрядов в виде двух и трехмерных амплитудно-фазовых диаграмм // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2005. №11-12. С. 93-96.

12. Зарипов Д.К., Лопухова Т.В. Метод дистанционной диагностики высоковольтной изолирующей конструкции // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2006. №3-4. С. 57-61.

13. Способ бесконтактного и дистанционного контроля состояния гирлянд изоляторов воздушных высоковольтных линий электропередачи: пат 2359380 Российская Федерация / Бадретдинов М.Н., Гатауллин А.М., Матухин В.Л., Губаев Д.Ф. опубл. 2007.

14. Голенищев-Кутузов В.А., Голенищев-Кутузов А.В., Маковеев А.А., Черномашенцев А.Ю. Контроль высоковольтных полимерных изоляторов по измерению частичных разрядов // Электричество. 2008. №12. С. 11-14.

15. Способ бесконтактной диагностики высоковольтных полимерных изоляторов: пат 2483312 Российская Федерация МПК GOIR, 31/12 / Голенищев-Кутузов В.А., Голенищев-Кутузов А.В., Евдокимов Л.И., Черномашенцев А.Ю., опубл. 2013.

16. Рекомендации по регистрации частичных разрядов в изоляции трансформаторного оборудования в эксплуатационных условиях М. РД ОАО "ФСК ЕЭС", 2003.

17. Максудов Д.В., Федосов Е.М. Методы селекции сигналов частичных разрядов в изоляции силовых трансформаторов // Вестник УГАТУ, Уфа. 2009. Т. 12. С. 138-143.

18. Ramirez-NinoJ, Pascacio A. Acoustic measuring of partial discharge in power transformers // Meas. Sci. Technol. 2009. V. 20. P. 115108.

19. Левин Д.М., Самодуров А.В. Частичные разряды и оценка дефектов изоляции кабельных линий // Электро. 2012. Т. 6. С. 33.

20. Чалов И.А. Метод частичных разрядов в диагностике силовых трансформаторов распределительных сетей нефтепромыслов // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014. № 10. С. 121.

21. Приказ РАО «ЕЭС России» «О повышении надежности опорно стержневых изоляторов» N252 от 06.05.2002 г.

22. Heitz. A generalized model for partial discharge processes based on a stochastic process approach // J. Phys. D. Appl. Phys. 1999. V. 32. P. 1012.

23. Altenbuzges, Heitz, Timmer J. Analisis of phase - resolved partial discharge pattern of voids // J. Phys. D. Appl. Phys. 2002. V. 35. P. 1149-1163.

24. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А. В. Исследование частичных разрядов при электрическом пробое модельных изоляторов из электротехнического фарфора // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2003. №7-8. С. 55-57.

25. Слуцкер А.И., Поликарпов Ю.И., Гиляров В.Л. Об элементарных актах в кинетике электрического разрушения полимеров // Техническая физика. 2006. Т. 76, В. 12. С. 52.

26. Pan Ch. Meng Y., Wu K., Han Z. Simulation of partial discharge sequences using fluid equations // J. Phys. D. Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 255201.

27. Kupershtokh A.L., Karpov D.I. Simulation of waves of partial discharges in a chain of gas inclusions located in condensed dielectrics // Journal of physics: Conference Series. 2016. V. 754.

28. Sasaki A, Kato S, Takahashii E., Kishimoto Y., Fujii T. Simulation of discharge in insulating gas from initial partial discharge to growth of stepped leader using the percolation model // The Jаpan Society of Applied Physics. 2016. V 55. №2.

29. Callender G, Golosnoy I, Rapisarda P, Lewin P. Critical analysis of partial discharge dynamics in air filled spherical voids // Journal of Physics D. Appl. Phys. 2018. V. 51. №12.

30. Киншт Н.В., Петрунько Н.Н. Об оценке параметров частичных разрядов // Электричество. 2016. №6. С. 51-56.

31. Аввакумов М.В., Голенищев-Кутузов А.В. Методика исследования электрического пробоя элементов из электротехнического фарфора // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2003. №5-6. С. 130-134.

32. Suwaznok Y., Suzuoki Y., Komori F. Partial discharges due electrical treeing in polymers // J. Phys. D. Appl. Phys. 1996. V. 29. P. 1922-1931.

33. Hayakawa N., Yamaguchi R., Ukai Y. Partial discharge activities under AC/impulse superimposed voltage in polypropylene laminated paper system for HTS cables // J. Phys. Conference Series. 2010. V. 234. P. 032020.

34. Гатауллин А.М., Матухин В.Л., Шмидт С.В., Крупнов Б.А. Комплексный метод регистрации параметров частичных разрядов изоляции электрооборудования // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2010. №9-10. С. 98-104.

35. Evagorou D., Kyprianou A., Lewin P.L. Feature extraction of partial discharge signals using the wavelet packet transform and classification with a probabilistic neural network // IET Ser. Meas. Technol. 2010. V. 4. P. 177.

36. Wonf R.L. Application of very high frequency method to ceramic insulators // IEEE Transaction of Dielectrics and Electrical insulation. 2004. V. 11. P. 1057-1064.

37. Broniecki U., Bergnan V., Tnittmann U. Visualization of synchronous acoustic and electric PD measurement data // Proc. 16 International Symposium High Voltage Engeneering, Johannesburg, 2009. P. 196.

38. Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В. Математическое моделирование развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика // Вестник УГАТУ, Уфа. 2011. Т. 15. №3. С. 98-100.

39. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 260 с.

40. Гайворонский А.С. Повреждения полимерных изоляторов и их диагностика в эксплуатации // Главный энергетик. 2010. №2. С. 15.

41. Runge D, Brunken N, Ruter S, Kip D. Integrated optical electric filled sensor based on a brag grating in lithium niobate // Appl. Physics B. 2007. V. 86. P. 91-96.

42. Голенищев-Кутузов В.А, Исмагилов И.Р, Калимуллин Р.И, Мигачев С.А, Хасанов А.А. Определение размеров приповерхностных дефектов теневым

методом лазерно-акустической спектроскопии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 5-6. С. 103.

43. Бельский А.В., Бусарев А.В., Галеев Д.В., Зарипов Д.К. многоканальный прибор для оперативной диагностики технического оборудования // Прикладная физика. 2010. №5. С. 108-113.

44. Остапенко Е.И. Физические процессы при перекрытии загрязненной изоляции // Электричество. 2006. №9. С. 41-46.

45. Губаев Р.С., Камалов Ш.М., Юлдашев А.К., Юлдашев К.А. Об эксплуатационных характеристиках линейных стержневых полимерных изоляторах // Электричество. 2002. №2. С. 14-21.

46. Моногаров О.И. Способ повышения достоверности селекции сигналов частичных разрядов // Достижения вузовской науки. 2013. №2. С. 97.

47. Chen H. Anovel extension neural network based partial discharge pattern recognition method // Expert systems with Application. 2012. №32. P. 3423.

48. Поляков Д.А., Голубятникова Н.О., Никитин К.И., Головков Р.А., Полонянкин Д.А., Регистратор характеристик частичных разрядов // Россия Молодая: передовые технологии. 2015. №1. С. 254-257.

49. Дубяго М.Н., Полуянович Н.К. Метод селекции сигнала ЧР с помощью вейвлет преобразования // Известия ЮФУ Ростов-Дон. 2013. №2. С. 99-104.

50. He W., Li H., Liang D., Sun H. Implementation of a novel double-side technique for partial discharge detection and location in covered conductor over head distribution networks // Measurement science technology. 2015. V. 26. № 12.

51. Гатауллин А.М., Матухин В.Л., Наумов Б.А. Система мониторинга и диагн остирования (СМИД) высоковольтного электрооборудования на основе анализа статистических параметров частичных разрядов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. №7-8. С. 19-29.

52. Hikita M, Yamada K, Nakamuza A. Measurement of partial discharge by computer and analysis partial discharges distribution by the Monte Carlo method // IEEE Transactions of Electric Insulation. 1994. V. 25. P. 453-468.

53. ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжении 3кв и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. М. Издательство Стандартов 1999.

54. Fernando S, Bogovschi A, Wong K. Detection of CtHz frequency components of partial discharge. Procidings of 16 International Symposium on High Voltage Engineering 2009. Johanersburg. p131

55. Миллер М. А., Антенна. Физическая энциклопедия М. Советская энциклопедия 1988 т 1, с 91-99.

56.Wu K., Suzuoki Y., Dissado L.A. The contribution of discharge patterns in disc-voids. J.Phys.D. Appl.Phys., v.37, P1815, 2004.

57. Xiе Q, Lin X, Li T, et al. Experimental verification of the space design of a square partial discharge acoustic emission array sensor, Measur. Scin and Techn. 2015, v 26, № 4.

Приложение А

Технические характеристики двухканального аппаратно-программного комплекса

Таблица А1. Технические характеристики двухканального аппаратно-

программного комплекса

Параметры Электромагнитный канал Акустический канал Оптический канал

Перестраиваемый приемник АОЯ ЛЯ 5000А Антенна Дельта Н111-01 8БТ-270 Антенна Рага^И^

Диапазон частот 200-700 МГц 40-60 кГц 1,5 мкм

Полоса пропускания 15 кГц-15МГц 2кГц 0,5 мкм

Пороговая чувствительность 10 пКл стенд 20 пКл поле 20 нКл стенд 30 нКл стенд 50 В/см

Безопасный ЧР ЛК 70/35 q < 350 пКл перенапряжение ДЕ ~ 20%

Безопасный ЧР ИОС 110/400 q < 500 пКл

Точность измерений параметров ЧР за 10 минут ± 2-5% ±10% ±10%

Продолжение таблицы А1

Параметры Электромагнитный канал Акустический канал Оптический канал

Число измерений фазовых периодов за один цикл 2200 2200 2200

Осциллограф D503062А