Частковий розряд проти Fluke ii910. Хто кого?
Стандарт IEC-60270 визначає частковий розряд (ЧР) як локалізований електричний розряд, який частково пробиває ізоляцію провідників. В електротехніці ЧР визначається як локалізований діелектричний пробій невеликої ділянки системи електричної ізоляції під дією високої напруги.
Загалом, ЧР виникають через локальне електричне навантаження на поверхню ізоляції або в самій ізоляції, наприклад, газовий пухирець в ізоляторі, заповнена газом порожнеча в ізоляційному матеріалі або навколо електрода в газі.
Часткові розряди характеризують більшість деформацій в ізоляційних системах трансформаторів. Вони можуть призводити до пошкодження високовольтних пристроїв, яке може виникати за короткий час або ж впродовж років. Відповідно, оцінка змін інтенсивності ЧР є вкрай важливою і вона може бути реалізована за допомогою систем моніторингу.
У міжнародній системі одиниць електричний розряд (Q або q) вимірюється в кулонах (Кл). Він визначається як заряд, що переноситься постійним струмом в 1 А за 1 секунду.
Чи справді частковий розряд — настільки невловимий месник та як його приборкати? Давайте розбиратися.
Зміст
- Короткий огляд принципу роботи акустичного візуалізатора Fluke іі910
- Яким чином Fluke ii910 виявляє часткові розряди?
- Чинники, що впливають на виявлення ЧР
- Траєкторія поширення
- Частотний діапазон ЧР
- Які властивості ЧР вимірює Fluke ii910?
- Шаблон даних з пофазовою дискретизацією
- Імпульси за хвилину (PpM)
- Висновки
Короткий огляд принципу роботи акустичного візуалізатора Fluke іі910
У Fluke ii910 використовується 64 мікрофони, розташованих за певною схемою. Посередині масиву розташована камера видимого світла, яка забезпечує зображення майданчика. За допомогою складних алгоритмів прилад створює акустичну карту або ж зображення на основі джерел звуку, а потім накладає створену таким чином акустичну карту на зображення.
Залежно від положення джерела звуку відносно поля зору Fluke ii910, звук досягає кожного з мікрофонів у різний час. Різниця в часі надходження звуку між мікрофонами дозволяє визначити місцезнаходження джерела звуку: якщо звук надходить з правого боку приладу, мікрофони з правого боку масиву зафіксують звук на частку секунди раніше, ніж мікрофони зліва. Після цього візуалізатор виводить зображення, яке відповідає зафіксованому звуку, на правій частині дисплею.
Яким чином Fluke ii910 виявляє часткові розряди?
Під час виникнення ЧР певна частка електричної енергії (1 – 5%) перетворюється в механічну енергію, і це перетворення генерує хвилі акустичної емісії (АЕ).
Хвилі АЕ утворюються внаслідок вивільнення енергії міжмолекулярних зв'язків при деформації матеріалів. Обробка хвиль АЕ широко використовується для оцінки стану будівельних конструкцій, діагностики різальних машин та процесу різання, а також для виявлення дефектів матеріалів. В електротехніці хвилі АЕ слугують сигналом для виявлення місцезнаходження джерел ЧР у великих силових трансформаторах.
Застосування методу АЕ для виявлення ЧР є відносно новим. При цьому метод АЕ вважають чи не найбільш практичним та найменш дороговартісним методом виявлення ЧР у порівнянні з традиційними методами. Прилад Fluke ii910 дозволяє виявляти саме такі хвилі АЕ, які генеруються електричними розрядами.
Чинники, що впливають на виявлення ЧР
В ідеальних умовах випромінюване акустичне поле в частинах ізоляції поширюється як сферична (поздовжня) пружна хвиля. Згенеровані акустичні хвилі проходять через внутрішні частини високовольтного устаткування та досягають зовнішньої поверхні.
Коли акустичні хвилі досягають твердих частин ізоляції, утворюються траєкторії поширення в конструкції, які описуються вектором швидкостей. На ділянках поширення хвиль в конструкції відбуваються відбиття та заломлення, що призводять до поглинання, ослаблення і розсіювання.
Складна структура поширення перетворює процедуру виявлення ЧР на процес, що залежить від конкретної ситуації. Прилад для виявлення ЧР має розташовуватися по-різному для кожного окремого випадку, щоб досягти високого коефіцієнта сигналу до шуму. Крім того, оптимальна позиція для виявлення ЧР не завжди відповідає найкоротшому оптичному шляху між джерелом ЧР та приладом.
Для подолання проблем, пов'язаних з траєкторією поширення та акустичними ефектами (поглинання, ослаблення та розсіювання) критично важливе значення в ефективному виявленні ЧР має мобільність та властивості акустичного давача (чутливість та частотний діапазон).
Траєкторія поширення
Узагальнюють вплив акустичної траєкторії поширення між джерелом ЧР та акустичним давачем характеристики, наведені в стандарті IEC 62748:
- Змінні режими поширення акустичної хвилі траєкторією поширення від джерела до акустичного давача.
- Зміни акустичної швидкості залежно від матеріалів та умов (наприклад, для трансформаторної оливи: відносно висока зміна швидкості при зміні температури, лише не суттєва зміна швидкості при зміні вологості).
- Розсіювання акустичних хвиль та дисперсійне загасання: ці параметри залежать від частоти розщеплення акустичних хвиль на окремі частоти при проходженні через те чи інше середовище. Залежно від матеріалу ізоляції, деякі з розщеплених частот загасають. Відповідно, частотні характеристики акустичних хвиль, що генеруються ЧР, варіюються в кожному конкретному випадку.
- Невідповідність значень акустичного імпедансу давача та корпусу високовольтної апаратури.
- Відстань між акустичним давачем та джерелом ЧР.
Частотний діапазон ЧР
Як згадувалося в попередньому розділі, частотні характеристики ЧР відрізняються переважно в залежності від властивостей траєкторії поширення. Варіабельність пікових частот досліджувалася в літературі, присвяченій ЧР.
У цьому розділі узагальнено пікові/домінантні частоти, що спостерігаються при аналізі хвиль АЕ ЧР в існуючій літературі.
Harrold [Геролд] (1975) – досліджено хвилі АЕ різних типів ЧР у нафті. Для вимірювань використовувався широкосмуговий перетворювач.
- Унікальної частоти з високою енергією не виявлено.
- Частотний діапазон резонансних перетворювачів, який дав успішні результати: 20 – 100 кГц.
Harrold [Геролд] (1980) – хвилі АЕ, що генеруються іскрами та дугами в нафті, зафіксовано за допомогою вузькосмугових та широкосмугових перетворювачів.
- Високоенергетичні дуги випромінюють максимальні рівні в діапазоні 120 Гц – 10 кГц.
- Низькоенергетичні мікроіскри створюють максимальну акустичну емісію на високих частотах: 10 – 400 кГц.
Howells and Norton [Говелс та Нортон] (1978) – хвилі АЕ, що генеруються силовими трансформаторами, спостерігалися за допомогою резонансного перетворювача з резонансним піком бл. 140 кГц.
- Більша частина енергії хвилі АЕ передається в діапазоні 20 – 80 кГц.
- Решта енергії передається в діапазоні 140 – 170 кГц, близькому до резонансної частоти перетворювача.
Zhu et al. [Чжу та співавтори] (1988) – досліджено кілька типів ЧР в ізоляції силових трансформаторів. Використовувалися широкосмугові та вузькосмугові п'єзоелектричні давачі.
- Пікові частоти охоплювали широкий діапазон (70 – 150 кГц).
- Частоти магнітного шуму Баркгаузена були нижчими за 20 кГц.
- Для виявлення ЧР було рекомендовано смугу частот 70 – 180 кГц.
Sakoda et al. [Сакода та співавтори] (1999) – Частотна характеристика хвиль АЕ окремого імпульсу ЧР в нафті була виміряна за допомогою широкосмугового ультразвукового перетворювача.
- Майже вся енергія імпульсу АЕ від ЧР в нафті передавалася з частотою нижче 100 кГц. Домінувала була частота 25 кГц.
Bozcar [Боскар] (2001) – проаналізовано хвилі АЕ, випромінювані поверхневими розрядами в нафті, газобульбашковими розрядами в нафті та розрядами в потенційних частинках. Використовувався широкосмуговий п'єзоелектричний перетворювач (10 кГц – 1 МГц).
- Ковзні розряди (термін використовується як синонім до поверхневих розрядів) створюють низькочастотні сигнали АЕ (˂100 кГц), при цьому найзначніша частка з-поміж них переноситься в діапазоні 70 – 90 кГц.
Sikorski and Ziomek [Сікорскі та Зьомек] (2012) – досліджено 10 різних типів ЧР, що виникають в олійно-паперовій ізоляції.
- Кожна з досліджених форм ЧР генерує повторювані та унікальні сигнали АЕ.
- Результати аналізу частотних характеристик суттєво залежать від типу застосованого давача.
- Низькочастотний (30 кГц) давач демонструє вищу чутливість у виявленні високоенергетичних ЧР на кшталт поверхневих розрядів у порівнянні з широкосмуговим давачем.
- Високоенергетичні ковзні іскри генерують сигнал АЕ в діапазоні частот 20 – 40 кГц.
- Низькоенергетичні ЧР на кшталт розрядів у газових бульбашках або внутрішніх газових порах випромінюють короткі імпульси АЕ у високочастотному діапазоні (100 – 300 кГц).
- Висновки за підсумками випробувань методом моделювання були підтверджені вимірюваннями, проведеними на силових трансформаторах.
Sikorski [Сікорскі] (2019) – досліджено пікові частоти чотирьох типів ЧР.
- Досліджувалися чотири форми ЧР: два типи поверхневих розрядів, частковий розряд та міжвитковий розряд.
- Частота сигналів АЕ, генерованих одним з поверхневих розрядів типу В, коливалася в діапазоні 20 – 110 кГц, при цьому 95% енергії передавалося у вузькій частотній смузі 22 – 42 кГц.
- Поверхневі розряди типу А генерували сигнали АЕ вищих частот, при цьому 95% енергії акустичної хвилі передавалося в частотному діапазоні 48 – 100 кГц.
- Міжвиткові розряди генерували сигнали АЕ з дещо вищими домінантними частотами порівняно з поверхневими розрядами типу В. 95% енергії сигналу АЕ передавалися в частотному діапазоні 20 – 68 кГц.
- ЧР у нафті мав широкосмугову частотну характеристику. Найбільша частка акустичної енергії (90,3%) випромінювалася в частотній смузі 80 – 117 кГц, а пікова частота становила 98,1 кГц.
- Значення домінантних частот, що спостерігалися в нормалізованому сумарному спектрі чотирьох типів розрядів, становили 40 кГц, 68 кГц та 90 кГц.
Які властивості ЧР вимірює Fluke ii910?
Fluke ii910 класифікує типи ЧР за допомогою алгоритмів штучного інтелекту.
Прилад розрізняє чотири типи розрядів: зовнішній, внутрішній, поверхневий та інші розряди.
Зовнішній розряд. В основі класифікації зовнішніх розрядів Fluke ii910 лежать два алгоритми підкласифікації: електрична дуга та коронний розряд. Акустичні дані для обох типів зовнішніх розрядів одержані з результатів вимірювань на силових трансформаторах.
Малюнок 1
A. Електрична дуга. Електрична дуга або ж дуговий розряд виникає, коли електричний розряд утримується в газі, що призводить до електричного пробою (Малюнок 1: Електрична дуга, що генерується двома електродами.). Утворена плазма може генерувати видиме світло. Цей тип розряду часто класифікують як двоелектродний розряд: при утворенні іонізованої траєкторії від одного електрода до іншого виділяється величезна кількість енергії.
Малюнок 2
B. Коронний розряд. Коронний розряд – це процес, при якому струм тече від електрода з високим потенціалом у нейтральну рідину (наприклад, повітря), іонізуючи цю рідину та створюючи навколо електрода область плазми (Малюнок 2: Коронний розряд на гірлянді ізоляторів повітряної лінії електропередач 500 кВ.).
Коронний розряд часто називають одноелектродним розрядом і він має тенденцію виникати на гострих точках та краях.Внутрішній розряд. Часткові розряди можуть виникати в рідких, газоподібних або твердих частинах ізоляції. Як правило, він починається в газових пустотах або мастилах, оскільки діелектрична проникність пустот менша за діелектричну проникність оточуючого діелектрика. Для класифікації внутрішніх розрядів були зібрані акустичні дані пустотних розрядів з лабораторних і польових вимірювань.
Малюнок 3
Поверхневий розряд. Існує кілька термінів, що використовуються для позначення поверхневих розрядів, зокрема ковзний розряд або поверхневий трасувальний розряд.
Поверхневий розряд (Малюнок 3: пошкодження внаслідок поверхневого розряду) вважається найнебезпечнішим типом ЧР, який може призвести до раптового виходу з ладу силового трансформатора. Поверхневий розряд виникає в системі оливно-картонного бар'єру, що є проблемною ділянкою в системі ізоляції силового трансформатора. Для розробки класифікації поверхневих розрядів за допомогою Fluke ii910 було проведено низку польових вимірювань.Інші розряди. Існує низка інших типів електричних розрядів, таких як статичний кистьовий розряд, одноелектродний факельний розряд та міжвитковий розряд. Наразі Fluke ii910 класифікує ці типи електричних розрядів як «інші».
Шаблон даних з пофазовою дискретизацією
Параметри ЧР зазвичай вимірюються кількісно за допомогою методу, який називається шаблоном даних з пофазовою дискретизацією (Phase-resolved data pattern, PRDP). PRDP відображає величину ЧР як функцію фазових кутів обраної частоти напруги живлення.
Обчислення шаблону даних PRDP починається з сегментації даних на 1 / fv, де fv – частота напруги живлення. Надалі значення амплітуди кожного сегмента візуалізуються як функція фазових кутів частоти напруги живлення.
Фазовий кут обчислюється за формулою 360 × (ti / T), де ti – це тривалість імпульсу ЧР, а T – тривалість одного циклу частоти напруги живлення. Нарешті, перед відображенням шаблону PRDP застосовується певний поріг виявлення.
У Fluke ii910 застосовується алгоритм прогнозування початкової фази, який визначає початковий шаблон для обчислення PRDP. Алгоритм прогнозування початкової фази є результатом розробки на основі даних і успішно забезпечує візуалізацію, яка зрозуміла користувачам, що мають досвід виявлення ЧР за допомогою традиційних методів.
Відображення одного з вимірювань, проведених в польових умовах, у PRDP представлено на малюнку 4.
Малюнок 4. PRDP аналіз електричного розряду, виявленого на силовому трансформаторі. Частота напруги живлення становить 60 Гц і позначена зеленою синусоїдою.
Імпульси за хвилину (PpM)
На додаток до PRDP аналізу, Fluke ii910 забезпечує прогнозування кількості імпульсів ЧР в реальному часі в імпульсах за хвилину (PpM). Алгоритм розроблений на основі даних про ЧР, зібраних як в лабораторних, так і в польових умовах. Алгоритм прогнозування кількості імпульсів є новим алгоритмом, розробленим для Fluke ii910. Він аналізує часову роздільну здатність та згладжені форми хвиль ЧР для оцінки кількості імпульсів ЧР за хвилину у виміряному сигналі АЕ.
Як аналіз PRDP, так і оцінка кількості імпульсів обчислюються з використанням даних, отриманих методом формування діаграми спрямованості, а отже, забезпечують перевагу перед шумами навколишнього середовища.
Висновки
Виявлення електричних розрядів за допомогою акустичних давачів є складним завданням здебільшого через вплив траєкторії поширення ЧР та потребу в давачах із високочастотним діапазоном.
✓ Попри те, що візуалізатор Fluke ii910 є портативним пристроєм, він успішно долає труднощі, пов’язані з траєкторією поширення.
✓ Акустичні властивості мікрофонів Fluke ii910 вибрано на основі літератури, узагальненої в цій статті.
✓ Прилад налаштований на максимізацію коефіцієнта сигналу до шуму сигналів АЕ ЧР.
✓ Великий масив даних для підтвердження класифікації та алгоритмів обчислення PpM було зібрано у лабораторних і польових умовах.
✓ Виявлення місцезнаходження ЧР, типу, кількості імпульсів та аналіз PRDP забезпечують повну та просту процедуру звітування.
