Частичный разряд против Fluke ii910. Кто кого?
Стандарт IEC-60270 определяет частичный разряд (ЧР) как локализованный электрический разряд, который частично пробивает изоляцию проводников. В электротехнике ЧР определяется как локализованный диэлектрический пробой небольшого участка системы электрической изоляции под действием высокого напряжения.
В общем, ЧР возникают из-за локальной электрической нагрузки на поверхность изоляции или внутри самой изоляции, например, газовый пузырек в изоляторе, заполненная газом пустота в изоляционном материале или вокруг электрода в газе.
Частичные разряды характеризуют большинство деформаций в изоляционных системах трансформаторов. Они могут приводить к повреждению высоковольтных устройств. Повреждения могут возникать за короткое время или же в течение лет. Соответственно, оценка изменений интенсивности ЧР является крайне важной и она может быть реализована с помощью систем мониторинга.
В международной системе единиц электрический разряд (Q или q) измеряется в кулонах (Кл). Он определяется как заряд, переносимый постоянным током в 1 А за 1 секунду.
Действительно ли частичный разряд — настолько неуловимый мститель и как его укротить? Давайте разбираться.
Содержание
- Краткий обзор принципа работы акустического визуализатора Fluke іі910
- Как ii910 Fluke обнаруживает частичные разряды?
- Факторы, влияющие на выявление ЧР
- Трасса распространения
- Частотный диапазон ЧР
- Какие свойства ЧР измеряет Fluke ii910?
- Шаблон данных с пофазовой дискретизацией
- Импульсы в минуту (PpM)
- Выводы
Краткий обзор принципа работы акустического визуализатора Fluke іі910
На Fluke ii910 используется 64 микрофона, расположенных по определенной схеме. Посередине массива расположена камера видимого света, которая обеспечивает изображение площадки. С помощью сложных алгоритмов прибор создает акустическую карту или же изображение на основе источников звука, а затем накладывает созданную таким образом акустическую карту на изображение.
В зависимости от положения источника звука относительно поля зрения Fluke ii910, звук достигает каждого из микрофонов в разное время. Разница во времени поступления звука между микрофонами позволяет определить местонахождение источника звука: если звук поступает с правой стороны устройства, микрофоны с правой стороны массива зафиксируют звук на долю секунды раньше, чем микрофоны слева. После этого визуализатор воспроизводит изображение, соответствующее звуку, на правой части экрана.
Как ii910 Fluke обнаруживает частичные разряды?
Во время возникновения ЧР определенная доля электрической энергии (1 – 5%) преобразуется в механическую энергию, и это преобразование генерирует волны акустической эмиссии (АЭ).
Волны АЭ образуются вследствие высвобождения энергии межмолекулярных связей при деформации материалов. Обработка волн АЭ широко используется для оценки состояния строительных конструкций, диагностики режущих машин и процесса резки, а также для выявления дефектов материалов. В электротехнике волны АЭ служат сигналом для обнаружения местонахождения источников ЧР в больших силовых трансформаторах.
Применение метода АЭ для обнаружения ЧР является относительно новым. При этом метод АЭ считают едва ли не самым практичным и наименее дорогостоящим методом обнаружения ЧР по сравнению с традиционными методами. Прибор Fluke ii910 позволяет обнаруживать именно такие волны АЭ, генерируемые электрическими разрядами.
Факторы, влияющие на выявление ЧР
В идеальных условиях излучаемое акустическое поле в частях изоляции распространяется как сферическая (продольная) упругая волна. Сгенерированные акустические волны проходят через внутренние части высоковольтного оборудования и достигают внешней поверхности.
Когда акустические волны достигают твердых частей изоляции, образуются трассы распространения в конструкции, которые описываются вектором скоростей. На участках распространения волн в конструкции происходят отражения и преломления, приводящие к поглощению, ослаблению и рассеиванию.
Сложная структура распространения превращает процедуру обнаружения ЧР в процесс, различающийся от случая к случаю: Прибор для обнаружения ЧР должен располагаться по-разному для каждой отдельной ситуации, чтобы достичь высокого коэффициента сигнала к шуму. Кроме того, оптимальная позиция для обнаружения ЧР не всегда соответствует кратчайшему оптическому пути между источником ЧР и устройством.
Для преодоления проблем, связанных с трассой распространения и акустическими эффектами (поглощение, ослабление и рассеивание) критически важное значение в эффективном обнаружении ЧР имеет мобильность и свойства акустического датчика (чувствительность и частотный диапазон).
Трасса распространения
Влияние акустической трассы распространения между источником ЧР и акустическим датчиком обобщают характеристики, приведенные в стандарте IEC 62748:
- Переменные режимы распространения акустической волны по трассе распространения от источника к акустическому датчику.
- Изменения акустической скорости в зависимости от материалов и условий (например, для трансформаторного масла: относительно высокое изменение скорости при изменении температуры, лишь несущественное изменение скорости при изменении влажности).
- Рассеивание акустических волн и дисперсионное затухание: эти параметры зависят от частоты расщепления акустических волн на отдельные частоты при прохождении через ту или иную среду. В зависимости от материала изоляции, некоторые из расщепленных частот затухают. Соответственно, частотные характеристики акустических волн, генерируемых ЧР, варьируются в каждом конкретном случае.
- Несоответствие значений акустического импеданса датчика и корпуса высоковольтной аппаратуры.
- Расстояние между акустическим датчиком и источником ЧР.
Частотный диапазон ЧР
Как упоминалось в предыдущем разделе, частотные характеристики ЧР отличаются преимущественно в зависимости от свойств трассы распространения. Вариабельность пиковых частот исследовалась в литературе, посвященной ЧР. В этом разделе обобщены пиковые/доминирующие частоты, наблюдаемые при анализе волн АЭ ЧР в существующей литературе.
Harrold [Херролд] (1975) – исследованы волны АЭ различных типов ЧР в нефти. Для измерений использовался широкополосный преобразователь.
- Уникальной частоты с высокой энергией не обнаружено.
- Частотный диапазон резонансных преобразователей, который дал успешные результаты: 20 – 100 кГц.
Harrold [Херролд] (1980) – волны АЭ, генерируемые искрами и дугами в нефти, зафиксированы с помощью узкополосных и широкополосных преобразователей.
- Высокоэнергетические дуги излучают максимальные уровни в диапазоне 120 Гц - 10 кГц.
- Низкоэнергетические микроискры создают максимальную акустическую эмиссию на высоких частотах: 10 – 400 кГц.
Howells and Norton [Хоуэллс и Нортон] (1978) – волны АЭ, генерируемые силовыми трансформаторами, наблюдались с помощью резонансного преобразователя с резонансным пиком ок. 140 кГц.
- Большая часть энергии волны АЭ передается в диапазоне 20 – 80 кГц.
- Остальная энергия передается в диапазоне 140 – 170 кГц, близком к резонансной частоте преобразователя.
Zhu et al. [Чжу и соавторы] (1988) – исследовано несколько типов ЧР в изоляции силовых трансформаторов. Использовались широкополосные и узкополосные пьезоэлектрические датчики.
- Пиковые частоты охватывали широкий диапазон (70 – 150 кГц).
- Частоты магнитного шума Баркгаузена были ниже 20 кГц.
- Для обнаружения ЧР была рекомендована полоса частот 70 – 180 кГц.
Sakoda et al. [Сакода и соавторы] (1999) – частотная характеристика волн АЭ отдельного импульса ЧР в нефти была измерена с помощью широкополосного ультразвукового преобразователя.
- Почти вся энергия импульса АЭ от ЧР в нефти передавалась с частотой ниже 100 кГц. Доминирующей была частота 25 кГц.
Bozcar [Боскар] (2001) – проанализированы волны АЭ, излучаемые поверхностными разрядами в нефти, газопузырьковыми разрядами в нефти и разрядами в потенциальных частицах. Использовался широкополосный пьезоэлектрический преобразователь (10 кГц – 1 МГц).
- Скользящие разряды (термин используется как синоним к поверхностным разрядам) создают низкочастотные сигналы АЭ (˂100 кГц), при этом самая значительная доля из них переносится в диапазоне 70 – 90 кГц.
Sikorski and Ziomek [Сикорски и Зёмек] (2012) – исследовано 10 различных типов ЧР, возникающих в бумажно-масляной изоляции.
- Каждая из исследованных форм ЧР генерирует повторяющиеся и уникальные сигналы АЭ.
- Результаты анализа частотных характеристик существенно зависят от типа примененного датчика.
- Низкочастотный (30 кГц) датчик демонстрирует более высокую чувствительность в обнаружении высокоэнергетических ЧР типа поверхностных разрядов по сравнению с широкополосным датчиком.
- Высокоэнергетические скользящие искры генерируют сигнал АЭ в диапазоне частот 20 – 40 кГц.
- Низкоэнергетические ЧР типа разрядов в газовых пузырьках или внутренних газовых порах излучают короткие импульсы АЭ в высокочастотном диапазоне (100 – 300 кГц).
- Выводы по итогам испытаний методом моделирования были подтверждены измерениями, проведенными на силовых трансформаторах.
Sikorski [Сикорски] (2019) – исследованы пиковые частоты четырех типов ЧР.
- Исследовались четыре формы ЧР: два типа поверхностных разрядов, частичный разряд и межвитковый разряд.
- Частота сигналов АЭ, генерируемых одним из поверхностных разрядов типа В, колебалась в диапазоне 20 – 110 кГц, при этом 95% энергии передавалось в узкой частотной полосе 22 – 42 кГц.
- Поверхностные разряды типа А генерировали сигналы АЭ более высоких частот, при этом 95% энергии акустической волны передавалось в частотном диапазоне 48 – 100 кГц.
- Межвитковые разряды генерировали сигналы АЭ с несколько более высокими доминирующими частотами по сравнению с поверхностными разрядами типа В. 95% энергии сигнала АЭ передавалось в частотном диапазоне 20 – 68 кГц.
- ЧР в нефти имел широкополосную частотную характеристику. Наибольшая доля акустической энергии (90,3%) излучалась в частотной полосе 80 – 117 кГц, а пиковая частота составляла 98,1 кГц.
- Значения доминирующих частот, наблюдавшихся в нормализованном суммарном спектре четырех типов разрядов, составляли 40 кГц, 68 кГц и 90 кГц.
Какие свойства ЧР измеряет Fluke ii910?
Fluke ii910 классифицирует типы ЧР с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.
Прибор различает четыре типа разрядов: внешний, внутренний, поверхностный и другие разряды.
Внешний разряд. В основе классификации внешних разрядов Fluke ii910 лежат два алгоритма подклассификации: электрическая дуга и коронный разряд. Акустические данные для обоих типов внешних разрядов были получены из результатов измерений на силовых трансформаторах.
Рисунок 1
A. Электрическая дуга. Электрическая дуга или дуговой разряд возникает, когда электрический разряд удерживается в газе, что приводит к электрическому пробою (Рисунок 1: Электрическая дуга, генерируемая двумя электродами. ). Образующаяся плазма может генерировать видимый свет. Этот тип разряда часто классифицируют как двухэлектродный разряд: при образовании ионизированной трассы от одного электрода к другому выделяется огромное количество энергии.
Рисунок 2
B. Коронный разряд. Коронный разряд – это процесс, при котором ток течет от электрода с высоким потенциалом в нейтральную жидкость (например, воздух), ионизируя эту жидкость и создавая вокруг электрода область плазмы (Рисунок 2: Коронный разряд на гирлянде изоляторов воздушной линии электропередач 500 кВ.).
Коронный разряд часто называют одноэлектродным разрядом и он имеет свойство возникать на острых точках и краях.Внутренний разряд. Частичные разряды могут возникать в жидких, газообразных или твердых частях изоляции. Обычно он образуется в газовых пустотах или маслах, поскольку диэлектрическая проницаемость пустот ниже диэлектрической проницаемости окружающего диэлектрика. Для классификации внутренних разрядов были собраны акустические данные пустотных разрядов из лабораторных и полевых измерений.
Рисунок 3
Поверхностный разряд. Существует несколько терминов, используемых для обозначения поверхностных разрядов, в том числе скользящий разряд или поверхностный трассирующий разряд.
Поверхностный разряд (Рисунок 3: Повреждения в результате поверхностного разряда) считается самым опасным типом ЧР, поскольку он может привести к внезапному выходу из строя силового трансформатора. Поверхностный разряд возникает в системе картонно-масляного барьера, являющимся проблемным участком в системе изоляции силового трансформатора. Для разработки классификации поверхностных разрядов с помощью Fluke ii910 был проведен ряд полевых измерений.Другие разряды. Существует ряд других типов электрических разрядов, таких как статический кистевой разряд, одноэлектродный факельный разряд и межвитковый разряд. В настоящее время Fluke ii910 классифицирует эти типы электрических разрядов как «другие».
Шаблон данных с пофазовой дискретизацией
Параметры ЧР обычно измеряются количественно с помощью метода, именуемого разрешенным по фазе шаблоном данных (Phase-resolved data pattern, PRDP). PRDP отображает величину ЧР как функцию фазовых углов выбранной частоты питающего напряжения.
Вычисление шаблона данных PRDP начинается с сегментации данных на 1 / fv, где fv – частота напряжения питания. В дальнейшем значения амплитуды каждого сегмента визуализируются как функция фазовых углов частоты питающего напряжения.
Фазовый угол рассчитывается по формуле 360 × (ti / T), где ti – это длительность импульса ЧР, а T – продолжительность одного цикла частоты питающего напряжения. Наконец, перед отображением шаблона PRDP применяется определенный порог обнаружения.
В Fluke ii910 применяется алгоритм прогнозирования начальной фазы, который определяет начальный шаблон для вычисления PRDP. Алгоритм прогнозирования начальной фазы является результатом разработки на основе данных и успешно обеспечивает визуализацию, которая понятна пользователям, имеющим опыт обнаружения ЧР с помощью традиционных методов.
Отображение одного из измерений, проведенных в полевых условиях, в PRDP представлено на рисунке 4.
Рисунок 4. PRDP анализ электрического разряда, обнаруженного на силовом трансформаторе. Частота питающего напряжения составляет 60 Гц и обозначена зеленой синусоидой.
Импульсы в минуту (PpM)
В дополнение к PRDP анализу, Fluke ii910 обеспечивает прогнозирование количества импульсов ЧР в реальном времени в импульсах в минуту (PpM). Алгоритм разработан на основе данных о ЧР, собранных как в лабораторных, так и в полевых условиях. Алгоритм прогнозирования количества импульсов является новым алгоритмом, разработанным специально для Fluke ii910. Алгоритм анализирует временное разрешение и сглаженные формы волн ЧР для оценки количества импульсов ЧР в минуту в измеренном сигнале АЭ.
Как анализ PRDP, так и оценка количества импульсов вычисляются с использованием данных, полученных методом формирования диаграммы направленности, а следовательно, обеспечивают преимущество перед шумами окружающей среды.
Выводы
Обнаружение электрических разрядов с помощью акустических датчиков является сложной задачей преимущественно из-за влияния трассы распространения ЧР и потребности в датчиках с высокочастотным диапазоном.
✓ Несмотря на то, что визуализатор Fluke ii910 является портативным устройством, он успешно преодолевает трудности, связанные с трассой распространения.
✓ Акустические свойства микрофонов Fluke ii910 выбраны на основе литературы, обобщенной в данной статье.
✓ Прибор настроен на максимизацию коэффициента сигнала к шуму сигналов АЭ ЧР.
✓ Большой массив данных для подтверждения классификации и алгоритмов вычисления PpM был собран в лабораторных и полевых условиях.
✓ Выявление местонахождения ЧР, типа, количества импульсов и анализ PRDP обеспечивают полную и простую процедуру составления отчетности.
