Разработка системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по характеристикам частичных разрядов
На правах рукописи
Черномашенцев Антон Юрьевич РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань – 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Голенищев-Кутузов Александр Вадимович Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор Наумов Анатолий Алексеевич (ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет») кандидат технических наук Тюрин Александр Николаевич (ОАО «Татэлектромонтаж»)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им.
А.Н. Туполева – КАИ», г. Казань
Защита состоится 27 декабря 2011 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, Казань, Красносельская 51, тел., факс (843)562-43-30.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом – на сайте http://www.kgeu.ru
Автореферат разослан « 24 » ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н. Р.И.Калимуллин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Разнообразные полимерные материалы в наши дни нашли, как в России, так и за рубежом, широкое применение в электроэнергетике: изоляция кабелей, обмоток трансформаторов и электромашин, опорные, подвесные и проходные изоляторы. В процессе эксплуатации вследствие длительного воздействия рабочего напряжения в сочетании с определенными факторами окружающей среды (солнечная радиация, температура, влажность, загрязнение поверхностей, механические напряжения и т.д.) снижается электрическая прочность изоляции, что в конечном итоге может привести к возникновению дефектов, которые для полимеров чаще всего имеют вид древовидных каналов-дендритов. В конечном итоге такой процесс может привести к частичному или полному разрушению изолирующих материалов.
Зарождение дефектов сопровождается нарушением сплошности материала и характеризуется электрическими (частичные разряды), акустическими, тепловыми и оптическими эффектами, что позволяет с помощью различных физических методов регистрировать начальную фазу зарождения дефектов. Особенно важным моментом является изучение характеристик частичных разрядов (ЧР), поскольку в полимерах, в отличие от других типов диэлектриков, дальнейший рост дефектов происходит под действием ЧР на каналы дендритов. Таким образом, рост дендритов и параметры ЧР (интенсивность, частота повторения) являются взаимосвязанными процессами, приводящими в конечном итоге к пробою изоляции вследствие перекрытия межэлектродного промежутка дендритом.
Как показали предыдущие теоретические и экспериментальные исследования процессов электрического пробоя высоковольтных изделий, для полимерных материалов можно условно представить несколько видов пробоев, наиболее характерных для всех типов оборудования (изоляторов, кабелей, обмоток).
1. Пробой вдоль границ раздела двух разных диэлектриков – например, вдоль границ полимер – газ (поверхностной пробой) или границы стержень – оболочка для высоковольтных изоляторов.
2. Пробой вдоль границы электрод – диэлектрик. Для кабелей это соответствует пробоям: токопроводящая жила – диэлектрик – металлический экран;
для изоляторов: металлическая арматура (оконцеватель) – диэлектрик.
3. Пробой в объеме диэлектрика через малые каверны, неоднородности структуры.
Среди реальных изолирующих элементов, используемых в высоковольтной энергетике, наиболее исследованы особенности полиэтиленовой изоляции кабелей, трансформаторов и электромашин, а наименее изученными являются изоляторы на основе композиционных полимерных материалов, в дальнейшем полимерные изоляторы (ПИ), хотя они представляют новое поколение опорных, подвесных и проходных изоляторов.
Причиной этому является использование в ПИ нескольких видов материалов с различными физико-химическими свойствами и усложненностью конструкции по сравнению с ранее применяемыми фарфоровыми и стеклянными изоляторами.
В настоящее время отсутствует общепризнанная методика по оценке работоспособности ПИ. Наиболее сложным моментом в контроле рабочего состояния ПИ является оценка остаточного ресурса по электрической и механической прочности. Для этих целей наиболее перспективным признан метод анализа параметров ЧР, в который входят интенсивность (кажущийся заряд), частота следования, спектральный состав сигналов ЧР (ГОСТ 20074- и ГОСТ 24427-87). Однако использование результатов подобного анализа отдельных сигналов ЧР без привязки к фазе сети не дает достаточно достоверных результатов по оценке рабочего состояния и остаточного ресурса изоляторов. Причиной тому является стохастический (случайный) характер самих ЧР, т.е. параметры сильно изменяются во времени и не коррелируют между собой. Поэтому наиболее значимыми параметрами являются не характеристики отдельно взятых импульсов, а средние значения параметров ЧР и формы их распределений по амплитуде, а также частоты повторения в определенные фазовые интервалы приложенного напряжения.
В связи с вышеизложенным является весьма актуальной разработка нового метода и системы измерения набора параметров ЧР, с привязкой к фазе напряжения и времени измерения, позволяющих более эффективно выполнять оперативный контроль полимерных изоляторов в режиме эксплуатации.
Объектом исследования являются частичные разряды, возникающие в высоковольтных полимерных изоляторах, находящихся под рабочим напряжением.
Предмет исследования: объемные и поверхностные дефекты, возникающие в ходе эксплуатации полимерных изоляторов, в виде треков и дендритов, и их влияние на работоспособность.
Цель исследования. Разработка способа и автоматизированной системы оперативного контроля высоковольтных полимерных изоляторов по временным амплитудно-фазовым и частотно-фазовым характеристикам частичных разрядов.
Задачи исследования:
1. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа оперативного контроля полимерных материалов по характеристикам частичных разрядов (ЧР).
2. Разработка способа измерения интенсивности и числа ЧР в определенные фазовые интервалы приложенного напряжения и времени воздействия (соответственно амплитудно-фазовые и частотно фазовые характеристики) с помощью бесконтактных электромагнитных и контактных электрических датчиков.
3. Разработка алгоритмов компьютерной обработки аналоговых сигналов ЧР от датчиков, представление их в форме амплитудно-фазовых (АФХ) и частотно-фазовых (ЧФХ) характеристик.
4. Разработка метода определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР при бесконтактном электромагнитном методе детектировании.
5. Проведение экспериментальных измерений характеристик ЧР и построение АФХ и ЧФХ для образцов полимерных высоковольтных изоляторов с различной степенью дефектности.
6. Определение необходимого набора параметров ЧР для эффективного оперативного контроля высоковольтных опорных и подвесных полимерных изоляторов.
Методы исследования. При проведении работы использовались теоретические и экспериментальные методы изучения кинетики электрического разрушения полимеров, численные методы компьютерного моделирования.
Экспериментальные исследования проведены на оригинальной установке с использованием современной измерительной аппаратуры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе анализа процессов старения и разрушения полимерных материалов и методов их контроля обоснован способ идентификации дефектов в ПИ по характеристикам ЧР.
2. Разработана и создана система одновременного измерения характеристик ЧР с помощью электромагнитных и электрических датчиков, с привязкой к фазе напряжения.
3. Разработан алгоритм обработки сигналов ЧР и представления их в форме амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик.
4. Разработан способ определения интенсивности (кажущегося заряда) ЧР при бесконтактном электромагнитном детектировании.
5. Использование разработанной системы оперативного контроля в экспериментальных исследованиях на ряде полимерных изоляторов с различной степенью дефектности позволило установить критерии по выявлению дефектов и степени их влияния на дальнейшую работоспособность полимерных изоляторов.
Практическая значимость. Разработанный способ и созданная измерительная система пригодны для использования при оперативном контроле высоковольтных полимерных изоляторов непосредственно в местах эксплуатации без отключения рабочего напряжения, а также при стендовых испытаниях изоляторов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Разработанный способ измерения характеристик ЧР с помощью бесконтактного электромагнитного и контактного электрического датчиков и способ их представления в форме амплитудно-фазовых и частотно-фазовых диаграмм.
2. Методика определения интенсивности (нКл) ЧР при электромагнитном методе детектирования ЧР.
3. Разработанный пакет вычислительных программ для обеспечения измерений характеристик ЧР, их накопления и анализа.
4. Необходимый для оперативного контроля набор параметров ЧР включает в себя максимальное значение заряда и число ЧР, начало возникновения ЧР в зависимости от фазы приложенного напряжения, за определенный временной интервал измерения (порядка нескольких секунд).
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением известных положений фундаментальных наук, серией проведенных лабораторных экспериментов на разработанной системе, повторяемостью экспериментальных результатов, совпадением практических данных исследований с результатами исследований известных авторов, а также корреляцией результатов, полученных с помощью различных типов датчиков ЧР.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XX научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках» (Казань, 2008);
XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2009);
IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009);
XIV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (Санкт-Петербург, 2010);
XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011).
Реализация результатов работы. Результаты исследований по мере их получения внедрялись в научно-исследовательской работе по договору с ОАО «Сетевая компания Казанские электрические сети» (№2010/Д253/482 от 02.08.2010).
Публикации. Основное содержание работы
отражено в 6 научных публикациях, включая 3 статьи в ведущих научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, 3 материала доклада международных и всероссийской научных конференций.
Личный вклад автора работы. Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии автора работы. При создании системы оперативного контроля автор принимал участие в формировании идей, разработке методики, проведении экспериментов, обсуждении и обработке экспериментальных данных, написании статей и представлении докладов на конференциях. Части системы оперативного контроля и программное обеспечение проведения измерений разработаны непосредственно автором.
Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Представленные в ней результаты соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами», п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка. Библиографический список включает 50 наименований и 6 наименований работ автора, опубликованных по теме диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные научные результаты, их научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные особенности процессов и механизмов старения и разрушения полимерных материалов. Выполнен анализ возможных типов электрических пробоев в полимерных изоляторах (ПИ), в том числе и в виде частичных разрядов. Изложены основные отличия характеристик ЧР в полимерных материалах от подобных характеристик ЧР в керамических и стеклянных материалах, используемых в высоковольтных изоляторах различных типов.
Далее представлен аналитический обзор существующих методов детектирования ЧР в высоковольтном энергетическом оборудовании, включая регистрацию теплового, оптического, электромагнитного и акустического излучения. Проведен обзор основных разработанных в России и за рубежом приборов и устройств контроля состояния изоляционных систем в условиях их эксплуатации и находящихся под рабочим напряжением.
На основе такого рассмотрения в конце главы сформулированы основные требования к новому поколению приборов и устройств контроля рабочего состояния высоковольтного энергетического оборудования, содержащего полимерные изолирующие элементы. Особое внимание обращено на использование методов детектирования ЧР, позволяющих не только определить дефектный изолятор, но и определить с достаточной достоверностью место дефекта. Не менее важным моментом является методика процесса измерений и способ представления результатов в виде временных амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик ЧР, что, несомненно, повысит качество оперативного контроля полимерных изоляторов и других элементов высоковольтного энергетического оборудования.
Вторая глава диссертации содержит описание разработанной и реализованной системы для оперативного контроля изоляторов в рабочем состоянии в высоковольтных сетях, а также для стендовых испытаний по регламенту ГОСТ 20074-83 (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид системы исследования ЧР в высоковольтных полимерных изоляторах в стендовом варианте.
Рис. 2. Блок-схема системы исследования ЧР в высоковольтных изоляторах.
Измерительный тракт системы (рис. 2) составляют: электромагнитный датчик (ЭМ), регистрирующий вызванные ЧР электромагнитные импульсы тока, индукционный датчик (ИД) опорного напряжения, регистрирующий фазу переменного высокого напряжения (ВН) на данном изоляторе, что обеспечивает согласованность фазы на испытуемом образце высоковольтного изолятора и в системе регистрации;
цифровой осциллограф (ЦО), выполняющий функцию непосредственного отображения усиленного с помощью радиочастотного приемника сигнала с электромагнитного датчика в виде амплитудно-частотной характеристики единичных импульсов ЧР;
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер (ПК), осуществляющий управление процессами измерения, отображения и сохранения характеристик ЧР.
Для исследования высоковольтных изоляторов в стендовом режиме дополнительно использовался блок регулируемого высокого напряжения.
Для дополнительной оценки частоты и интенсивности ЧР использовался контактный датчик (КД) с пиковым детектором, подключаемый к низковольтному оконцевателю изолятора. Для более тщательного исследования дефектов изоляторов использовалась система электродов, позволявших подавать высокое напряжение на отдельные части изолятора.
Данная система состоит из следующих элементов и устройств:
1) электромагнитного датчика в виде активной петлевой антенны AOR LA380;
2) индукционного датчика для синхронизации фазы высокого напряжения на испытуемом образце и в системе регистрации ЧР;
3) широкополосного приемника AOR AR5000A;
4) цифрового осциллографа марки DSO3062A, выполняющего функцию непосредственного отображения усиленного сигнала с электромагнитного и контактных датчиков, в виде амплитудно-частотной характеристики единичных импульсов ЧР;
5) платы АЦП NI PCI-6221М для ввода сигналов;
6) персонального компьютера.
В стендовом варианте в состав системы дополнительно входят:
7) контактный датчик с пиковым детектором, подключаемый к заземляемому оконцевателю изолятора;
8) система электродов, первый электрод крепится к нижнему оконцевателю изолятора, второй крепится между ребер изолятора при помощи специального хомута или ко второму верхнему оконцевателю испытуемого изолятора;
9) установка контроля и диагностики диэлектриков УКД-70, состоящая из пульта управления и высоковольтного генератора, позволяющего плавно изменять подаваемое напряжение переменного тока частотой 50 Гц на диагностируемый изолятор в диапазоне от 0 до 50 кВ (действующее значение).
Во второй части главы приведено описание структуры компьютерной системы регистрации характеристик ЧР. В системе используется принцип фазового детектирования сигналов ЧР. Этот метод позволяет поставить в соответствие два основных параметра ЧР – интенсивность и количество импульсов за интервал времени – фазовому положению импульсов относительно синусоиды питающего напряжения. Измерение параметров осуществляется синхронно с фазой напряжения, в течение каждого из фазовых интервалов подсчитывается количество ЧР и амплитуда каждого ЧР, превышающего заданную опорную амплитуду UЧР.
Программное обеспечение для проведения измерений состоит из двух виртуальных приборов, разработанных в среде LabView. Первый виртуальный прибор для записи исходного массива данных позволяет сохранять на компьютере исходные сигналы с датчиков для последующей обработки в виртуальном приборе обработки данных.
Виртуальный прибор записи исходного массива данных связан с многофункциональной измерительной платой сбора данных NI PCI-6221M, интегрированной в персональный компьютер. Ввод аналоговых сигналов в ПК осуществляется путем преобразования их из аналоговой формы в цифровую с помощью общего для всех каналов ввода 16-разрядного АЦП. Для связи с платой АЦП в виртуальном приборе служит элемент DAQ Assistant. После считывания платой массива данных в течении 18 секунд, что соответствует периодам сетевого напряжения, сигналы в виде потока динамических данных записываются в два массива sin и sig, которые сохраняются в одну папку проводимого измерения.
Программа обработки данных производит разбиение исходного массива, записанного программой записи данных, на фазовые интервалы с определением фазового угла и амплитуды возникновения каждого ЧР. Квантование или дискретизация по уровню осуществляется при помощи задания опорной амплитуды Uref в течение каждого периода. В течение каждого фазового интервала подсчитывается количество ЧР, превышающих значение опорной амплитуды, определяется амплитуда и фазовый угол возникновения каждого ЧР, определяется количество ЧР за каждые десять фазовых градусов периода сетевого напряжения, таким образом период делится на 36 равных интервалов.
На фазовых диаграммах, являющихся результатом работы программы обработки данных, каждому ЧР соответствует точка с фазой возникновения, привязанной к периоду сетевого напряжения, и амплитудой, зависящей от мощности ЧР. На графике распределения ЧР все единичные точки образуют своеобразные скопления точек с близкой амплитудой и фазой возникновения.
Лицевая панель прибора обработки данных представлена на рис. 3.
В третьей главе описана методика проведения измерений с помощью разработанной системы, а также тестирование помех и шумов в системе. В первую очередь было исследовано влияние высокого напряжения от высоковольтного трансформатора измерительной системы. Однако и при предельных высоких напряжениях порядка 40 кВ, используемых в наших исследованиях, уровень числа и интенсивности ЧР от измерительного высоковольтного трансформатора был в три-четыре раза ниже, чем контролируемый уровень параметров сигналов от дефектов в изоляторах, и не превышал порогов ЧР в бездефектных изоляторах.
Как показали наши эксперименты, сигналы ЧР в среднем незначительно превышают уровень шумов различной природы, и в первую очередь шумы от высоковольтного оборудования, шумы производственного характера и различные иные шумы. Для выделения необходимых сигналов ЧР из шумов (белый шум) использовались две системы, первая из которых была в виде блока шумоподавления по уровню шумов и позволяла подавить шумы до определенного уровня, не изменяя величину сигналов ЧР.
Рис 3. Лицевая панель прибора обработки исходного массива данных.
Как показали наши эксперименты, накопление за 1000 фазовых периодов вполне удовлетворяет выдвинутым предложениям о представлении данных в виде амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристик, отражающих распределение сигналов ЧР в зависимости от фазы переменного напряжения.
Описанный выше программно-аппаратный комплекс позволяет представить усредненное за 924 периода фазовое распределение амплитуд сигналов ЧР.
Программно-аппаратный комплекс позволяет ограничивать шумы и сигналы ЧР малого уровня, что в совокупности с блоком подавления шумов создает реальную возможность выделения наиболее опасных сигналов ЧР большей интенсивности. Пример представлен на рис. 4.
а) масштаб по амплитуде 1 нКл/дел б) масштаб по амплитуде 1 нКл/дел Рис. 4. Распределение амплитуд сигналов ЧР, для образца изолятора №5 при приложенном поле 1,19 кВ/см. а) без ограничения шумов;
б) с ограничением шумов и слабых сигналов ЧР.
В четвертой главе представлены результаты применения разработанной системы контроля для изучения дефектов в полимерных изоляторах. В результате анализа электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне 5 МГц 500 МГц во время процессов возникновения ЧР в ПИ с набором различных видов дефектов (при этом полосы пропускания приемника варьировались от 3 кГц до 220 кГц) были установлены следующие закономерности.
1. В спектральном составе электромагнитных компонент ЧР существуют относительно низкочастотные (порядка единиц и десятка МГц) полосы электромагнитного излучения со значительно бльшими интенсивностями. Как следует из наших экспериментов, частотные интервалы и их интенсивности во многом определяются видом и размерами дефектов. С определенной степенью достоверности можно утверждать, что наблюдалось понижение частоты и повышение интенсивности спектрального максимума с увеличением размера дефекта.
2. Анализ спектрального состава импульсов ЧР и индустриальных помех и шумов позволил применить наиболее приемлемую частотную ширину приемного тракта для увеличения отношения сигнал/шум, что особенно важно в амплитудно-фазовых и частотно-фазовых характеристиках ЧР.
На основе выполненных предварительных экспериментов с учетом главной задачи работы по разработке метода оперативного обнаружения источников ЧР, соответствующих различным дефектам в ПИ, нами для достаточно быстрой оценки параметров ЧР были использованы полосы пропускания в 15 кГц на частоте 9 МГц, и в качестве вспомогательной полосы также в 15 кГц на частоте 485 МГц.
Также было произведено сравнение результатов, полученных с помощью контактного и электромагнитного датчиков. Главное сходство результатов состоит в тождественности фазовых углов и резких изменений интенсивности и частоты возникновения ЧР при наличии тех или иных дефектов в ПИ.
Приведенные факты полностью подтвердили реальность использования электромагнитного метода для получения тех же характеристик ЧР, что и рекомендованы ГОСТом 20074-83, а также для формирования более универсальных характеристик, необходимых для использования при оперативном контроле ПИ. Более того, электромагнитный метод обладает большей чувствительностью, поскольку с его помощью были обнаружены сигналы ЧР и в интервалах фазовых углов 100-120.
Для градуировки приемного тракта с целью измерения интенсивности ЧР был разработан способ, включающий первоначальную оценку на стенде по методике, предписанной ГОСТом 20074-83, и последующую корректировку чувствительности приемника с учетом ослабления электромагнитного сигнала с увеличением расстояния L между местом ЧР и антенной приемника. Был выполнен расчет уменьшения сигнала I(L) в зависимости от L для ближней (L ) и дальней (L ) зон излучения:
для L ;
(1) для L, (2) где = 2 /, L0 = 1м – эталонное расстояние, -показатель поглощения, =2f.
Для использованных частот приемника 1 = 9МГц и 2 = 485 МГц с учетом корректирующего выражения на расстояниях L, равных 4 м и 15 м, были получены вполне сопоставимые оценки интенсивности ЧР.
По результатам исследований ЧР все ПИ можно условно разделить на две группы. ПИ с достаточно низким уровнем ЧР во всем интервале приложенных высоких переменных напряжений. Характеристики ЧР в этих изоляторах имеют хорошо прослеживаемые закономерности в пределах Uпер 2,3 кВ/см. Ко второй группе относятся изоляторы с различными дефектами.
Были установлены следующие закономерности.
1. Во всех изоляторах первой группы наблюдаются ЧР на уровне шумов измерительной системы, которые не могут быть количественно оценены как по интенсивности, так и по числу ЧР за какой либо временной интервал. Реально ЧР начинают проявляться в фазовых интервалах переменного напряжения 80° 90° и 220°-300° и при поле 0,14 кВ/см.
2. Кроме сигналов ЧР от микродефектов ПИ также наблюдались сигналы ЧР коронного типа. Их особенностью было возникновение вблизи 80°-100° и 270°-280°, что вполне соответствовало характеру обычных коронных разрядов.
При высоких напряженностях поля более 1 кВ/см наблюдалось четкое разделение ЧР от короны и микродефектов.
а) масштаб по амплитуде 3 нКл/дел.
б) масштаб по амплитуде 3 нКл/дел.
Рис. 5. а) изолятор №5, измерение электромагнитным датчиком, напряжение прикладывается к хомуту, расположенному на 1/3 от заземленного нижнего оконцевателя изолятора, т.е. не включает дефект, напряженность поля 1, кВ/см. Сигналы ЧР наблюдаются в фазовых интервалах 230°-250° и 70°-85°.
Сигналы короны наблюдаются в интервале 270°-280° и 90°-100°;
б) изолятор №5, измерение электромагнитным датчиком, напряжение прикладывается к хомуту, расположенному на 1/2 от заземленного нижнего оконцевателя изолятора, т.е. к области, включающей дефект, напряженность поля 1,15 кВ/см. Сигналы ЧР наблюдаются в фазовых интервалах 225°-260° и 60°-80° сигналы короны при 80°-100° и 270°-280°.
Для изоляторов второй группы при приложении поля между нижним оконцевателем и третьим ребром дефектного изолятора (рис. 5а), содержащего дефект в виде частичного пробоя между четвертым и пятым ребрами, характеристики ЧР были ближе к подобным характеристикам условно бездефектных изоляторов. В то же время при приложении поля между нижним оконцевателем и пятым ребром характеристики резко изменялись для одних и тех же значений напряженности электрического поля. Общим для обоих видов измерений было отсутствие влияние роста поля на малый уровень ЧР. Затем с определенных значений напряженности поля (1,18 кВ/см) возникало скачкообразное увеличение интенсивности и числа ЧР за период измерений (рис. 5б).
Нами было выполнено изучение влияния приложенного рабочего напряжения на временные изменения характеристик ЧР как условно бездефектных, так и содержащих определенные дефекты изоляторов. Для бездефектных образцов были изучены изменения характеристик ЧР за один час непрерывного воздействия высокого напряжения, а также более длительное наблюдение за характеристиками ЧР в течение 2-3 месяцев. В первом случае, общий характер ЧР при воздействии поля в один час сохранился. Таким образом, в результате изучения определено, что во всех изоляторах, как бездефектных, так и содержавших дефекты, в первый период (10-60 мин.) приложения рабочего напряжения наблюдалось увеличение как числа, так и их интенсивности, которые затем мало изменялись на протяжении следующего длительного периода (порядка месяцев) для бездефектных изоляторов.
Для бездефектных изоляторов при длительном воздействии приложенного напряжения наблюдалось дальнейшее увеличение интенсивности и числа ЧР, а также сдвиг начала возникновения ЧР в сторону фазовых углов, соответствующих меньшему напряжению.
Определенные по результатам стендовых испытаний критерии контроля работоспособности для ПИ типа ЛК 70/35, а также разработанная методика определения интенсивности ЧР с учетом расстояния от контролируемого объекта до электромагнитного датчика, позволяют утверждать о применимости разработанной системы для контроля ПИ находящихся в эксплуатации.
В заключении приводится перечень основных результатов и выводов диссертационной работы.
Основные результаты и выводы 1. Выполнен информационный анализ процессов и механизмов электрического и механического старения и разрушения полимерных материалов и влияния на эти процессы ЧР, позволивший оценить возможность измерения параметров ЧР для оперативного контроля полимерных изоляторов.
2. Разработан способ и создана система измерения количества ЧР и средней амплитуды за каждый дискретный интервал фазы высокого напряжения с использованием электромагнитных и контактных датчиков.
3. Разработан алгоритм построения компьютерной системы обработки аналоговых сигналов ЧР от датчиков с использованием виртуальных приборов в среде LabView.
4. Выполнено измерение параметров ЧР на ряде промышленных полимерных изоляторов типа ЛК 70/35 с различной степенью дефектности.
5. С помощью разработанного программно-аппаратного комплекса построены и проанализированы амплитудно-фазовые и частотно-фазовые диаграммы исследованных полимерных изоляторов и установлена корреляция между параметрами ЧР и степенью дефектности полимерных изоляторов.
6. Разработана методика и критерии контроля работоспособности полимерных изоляторов по набору характеристик ЧР: резкое превышение порога интенсивности и числа ЧР для заведомо работоспособных изоляторов в определенных фазах высокого напряжения;
значительное (до 20-30%) изменение этих параметров при длительном характере (порядка месяца) воздействия электрического напряжения, сдвиг максимумов ЧР в фазовые углы, более удаленные от пиковых значений приложенного поля.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:
1. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Черномашенцев А.Ю. Изучение процессов разрушения высоковольтных полимерных изоляторов методом частичных разрядов // Казань: Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. №9-10. С. 120-124.
2. Голенищев-Кутузов В.А., Голенищев-Кутузов А.В., Маковеев А.А., Черномшенцев А.Ю. Контроль высоковольтных полимерных изоляторов по измерениям частичных разрядов // М.: Электричество. 2008. №12. C. 11-14.
3. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Губаев Д.Ф., Черномашенцев А.Ю., Евдокимов Л.И. Частичные разряды в полимерных изоляторах // Казань: Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. №7-8. С. 76 83.
4. Черномашенцев А.Ю., Маковеев А.А. Контроль высоковольтных полимерных изоляторов при различных режимах эксплуатации // Материалы докладов XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: МЭИ, 2008.
Т. 3. С.395-397.
5. Черномашенцев А.Ю., Ковальчук Д.В. Система детектирования и анализа частичных разрядов в высоковольтных полимерных изоляторах // Материалы докладов IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань: КГЭУ, 2009. С. 198.
6. Голенищев-Кутузов А.В., Черномашенцев А.Ю., Евдокимов Л.И.
Диагностическая система контроля рабочего состояния полимерных изоляторов // Материалы докладов XIV Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах».
СПб.: Изд-во. СПб. Политехн. ун-та, 2010. Т. 1. С. 162.
Подписано к печати 18.11.2011 Формат 60х84/ Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная Физ. печ. л. 1.0 Усл. печ. л. 0.94 Уч.-изд. 1. Тираж 100 экз. Заказ № Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская,