Взаимосвязь параметров частичных разрядов с характеристиками изоляции высоковольтного оборудования

Статья на основе вебинара “Физические основы взаимосвязи параметров частичных разрядов с эксплуатационными характеристиками изоляции высоковольтных аппаратов и кабелей”
Лектор: Вадим Анатольевич Шахнин, доктор технических наук, профессор, Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых.

Надёжность электроэнергетических систем является государственным приоритетом и одной из основ стабильности развития экономики России.

Важную роль обеспечении надёжного электроснабжения играют системы диагностики высоковольтного оборудования электрических подстанций. Анализ эволюции диагностического оборудования, предназначенного для оперирования с крупногабаритными техническими объектами со сложной топологией размещения на больших территориях, приводит к выводу об эффективности мехатронного подхода к решению проблемы автоматизации мониторинга силового высоковольтного оборудования подстанций.

В данном случае мехатронный подход заключается в синергетической интеграции компонент, осуществляющих диагностику, с компонентами, обеспечивающими перемещение элементов оборудования.

Техническая диагностика высоковольтного оборудования

В настоящее время в электроэнергетике широко применяются стационарные системы диагностики, очевидными недостатками которых являются: жёсткая заданность количества, состава и мест расположения датчиков; контактный принцип диагностики, многократное дублирование однотипных систем диагностики на электроэнергетическом объекте; сложность переналадки систем на диагностику новых видов оборудования.

Низкая эффективность существующей системы диагностики

Реализация дистанционных методов диагностики и придание мобильности системам мониторинга позволяют в значительной степени устранить перечисленные недостатки. Для этого необходимы исследования, относящиеся  к различным областям науки и техники, в первую очередь, к таким, как физические методы диагностики электрической изоляции и методы управления движением элементов диагностических систем.  

Именно на стыке этих направлений решается целевая проблема мехатроники в сфере мониторинга высоковольтного оборудования: создание принципиально новых движущихся диагностических устройств, модулей, машин и комплексов.

Слагаемые современной системы диагностики

Для наиболее ответственных видов высоковольтного оборудования и, особенно, для интеллектуальных электрических сетей целесообразно непрерывное функциональное диагностирование – диагностический мониторинг. Положением ОАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе», утверждённым 23.10.2013 г., определено, что этот вид мониторинга «является приоритетной формой диагностирования высоковольтного оборудования».

Цели применения систем мониторинга

По-нашему мнению, придание мобильности  системам мониторинга позволяет  устранить многие из недостатков стационарных систем. Причём, в одних случаях под мобильностью подразумевается возможность перемещения датчиков по поверхности диагностируемого аппарата или вблизи неё, а в других – возможность передвижения всего диагностического комплекса. В последнем случае реализуем дистанционный мониторинг сразу нескольких высоковольтных аппаратов. Разработка мехатронных комплексов дистанционного мониторинга (МКДМ), безусловно, актуальна, т.к. позволяет автоматизировать  мониторинг и снизить присутствие человека в опасных зонах вблизи диагностируемого высоковольтного оборудования без потери информации о его техническом состоянии.

Частичные разряды — индикаторы состояния изоляции

Проведённые исследования позволили сделать вывод о целесообразности выбора в качестве физической основы дистанционного мониторинга электрошумовых методов, базирующихся на анализе частичных разрядов в изоляции диагностируемого оборудования.

Анализ дефектов высоковольтного оборудования показывает, что с частичными разрядами связано более половины всех дефектов в высоковольтном оборудовании. Например, из общего количества дефектов, выявленных  период с 2009 г. по 2016 г. в автотрансформаторах 500 и 750 кВ МЭС Центра, 51,3 % дефектов в высоковольтных вводах и 22,9 % в активной части обмотки напрямую связаны с частичными разрядами. Частичные разряды являются индикаторами наиболее быстро развивающихся дефектов изоляции.

Напомню, что в соответствии с международным стандартом IЕС 60270 и ГОСТ 20074-83 частичным разрядом называется электрический разряд, который шунтирует лишь локальную область электроизоляционной системы.

Физические основы

Неоднородность диэлектрических свойств, выражаемая отношением диэлектрических проницаемостей

, определяет неоднородность распределения напряжённости электрического поля. Например, если проницаемость диэлектрика верхнего слоя в два раза выше, чем нижнего, то напряжённость в последнем в четыре раза выше, чем в первом.

Классическая схема перераспределения напряженности электрического поля в изоляции

В качестве главной изоляции в силовых трансформаторах с номинальными напряжениями от 10 до 1150 кВ, в автотрансформаторах и реакторах высших классов применяется масло-барьерная изоляция. В ней большая часть неоднородностей электрического поля образуется из-за наличия газонаполненных включений между слоями твердой (электротехнический картон, бумага) и жидкой (трансформаторное масло) изоляции.

Применяя соотношения слайда “Классическая схема перераспределения напряженности электрического поля в изоляции” (см. выше) для масло-барьерной изоляции силовых трансформаторов, имеем следующее: с учётом фактора электрической прочности наиболее велика вероятность частичных разрядов в газонаполненных включениях.

Причинно-следственные связи частичных разрядов и концентраций растворённых газов в главной масло-барьерной изоляции силовых трансформаторов

Этот вывод имеет очень важное практическое значение. Дело в том, что в процессе эксплуатации высоковольтного оборудования в результате перегревов и действия сильных электрических полей в масляной изоляции образуются водород и газообразные химические соединения CH₄, C₂H₂, C₂H₄ и C₂H₆. Их концентрация обычно определяется методами хромотографии. При увеличении концентрации растворённых газов возрастает вероятность появления газонаполненных включений и частичных разрядов в них.

Итак, наиболее велика вероятность частичных разрядов в газонаполненных включениях, вероятность образования которых в свою очередь, определяется концентрацией растворённых газов масле.

Безусловно, из этого не следует, что причиной является возрастание концентрации растворённых газов, а следствием – частичные разряды. Неверно и обратное утверждение, хотя и установлено, что при частичных разрядах возникают сложные химические реакции, приводящие к образованию  молекул водорода, ацетилена, этилена, метана и др. газов. Эти процессы (повышение концентрации растворённых газов и частичные разряды) не состоят в прямой причинно-следственной зависимости друг от друга, а порождаются общей группой причинных факторов (исходным хим. составом масла, наличием механических примесей, электрическим полем, температурой и множеством других).

Современное состояние в сфере дистанционного мониторинга масляной изоляции

К настоящему времени, с одной стороны, выявлена взаимосвязь между соотношениями концентраций различных пар вышеперечисленных газов с разрядной активностью. С другой стороны, к настоящему времени разработаны методы мониторинга развивающихся дефектов по изменению концентраций растворённых газов, отраженные, например, в Методических указаниях РД 153-34.0-46.302-00 Департамента научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России», а также разработаны методы и средства дистанционной регистрации частичных разрядов.

Эти результаты являются предпосылками возможности определения концентраций растворённых газов по параметрам частичных разрядов и определяют целесообразность проведение исследований, направленных на разработку методов дистанционного  мониторинга маслонаполненного высоковольтного оборудования средствами мехатроники.

Результаты анализа образцов масла из основных баков трансформаторов

Актуальность этих исследований определяется тем, что значительная часть повреждений силовых трансформаторов связана со снижением электрической прочности маслобарьерной изоляции и её пробоем в ближайшем к обмотке высокого напряжения масляном канале. Эксплуатационные свойства изоляции тесно связаны с наличием растворённых в масле газов, концентрация которых в большой степени определяется частичными разрядами. Для диагностики развивающихся дефектов разработаны принципы и критерии оценки состояния изоляции на основе анализа растворённых газов (АРГ). Однако традиционные методы АРГ трудоёмки, требуют отбора проб масла из работающих высоковольтных аппаратов и в силу этого неудобны для непрерывного мониторинга состояния изоляции. Современные системы мониторинга масла довольно дороги и требуют установки датчиков на каждый диагностируемый трансформатор, т.е. не обеспечивают дистанционности мониторинга.

В ходе наших исследований отбор проб и хроматографический анализ растворённых газов (ХАРГ) осуществлялся в соответствии с РД 34.46.303-98 «Методические указания по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворённых в масле силовых трансформаторов» с использованием пробоотборников «ShakeTest», «ELCHROM-G» и портативного хроматографа «MYRKOS» фирмы Morgan Schaffer Inc. (Канада). Измерение параметров частичных разрядов производилось с помощью МКДМ «ЭЛЕКТРО», измерительный модуль которого выполнен на базе системы HVPD Longshot компании «High Voltage Partial Discharge Ltd»(Великобритания). В качестве датчиков 8 и 9 применены индукционный датчик (HFCT) и ёмкостной датчик (TEV) той же фирмы.

Исследования проводились в процессе плановых комплексных обследований состояния трансформаторного оборудования для 58 трансформаторов электрических подстанций (ПС) предприятий магистральных электрических сетей (МЭС) Центра в период с 2009 г. по  2015 г. В диссертации представлены результаты исследований лишь для 18 аппаратов, в том числе для пяти автотрансформаторов АОДЦТН-417000/750/500-У1, шести автотрансформаторов АТДЦТН-250000/500/110/10 и  семи трансформаторов ТДТН-31500/110. Эти трансформаторы установлены на ПС Московского, Валдайского и Волго-Окского предприятий магистральных электрических сетей («Владимирская-750 кВ», «Белый Раст-750 кВ», «Ногинск-500 кВ», «Радуга-500 кВ» «Калининская-330 кВ», «Неро-220 кВ», «Вязники-220кВ» и др.). Результаты исследований 18 названных трансформаторов оказались наиболее информативными и достоверными в силу того, что близки продолжительности их эксплуатации (введены в эксплуатацию в 1987-1989 г.г.), сроки проведения и периодичность комплексных обследований, а также нормальные и имевшие место аварийные  режимы работы аппаратов.

В качестве примера на слайде выше приведены результаты анализа образцов масла из основных баков трансформаторов на дату начала исследований.

Пробы масла по всем 18 трансформаторам сгруппированы в шесть выборок

Выборки формировались по типам трансформаторов, маркам масла, датам проведения ХАРГ и средней нагрузки в период проведения исследований. Выборки 1, 3, 5 содержат пробы масла, отобранные и исследованные с приблизительно с годовым интервалом с 2009 по 2013 г. Для этого периода характерна более высокая электрическая нагрузка, чем в последующие два года, в течение которых масло исследовалось с интервалом в шесть месяцев (выборки 2, 4, 6). Выборки 1 и 6 являются наиболее представительными. В выборках 1 и 4 имеется по шесть проб масла, взятых после срабатывания газовых защит на сигнал, а выборка 6 содержит 4 пробы, отобранные после срабатывания дифференциальной защиты. Выборки 2 и 3 содержат только пробы, взятые из трансформаторов, анализ работы которых за предшествующий период показал отсутствие эксплуатационных факторов, вызывающих рост концентраций углеводородных газов. В выборку 6 включены 4 пробы, отобранные после замены силикагеля и 2 пробы, отобранные после длительного отключения трансформаторов.

Таким образом, в целом 144 пробы являются представительной выборкой в аспекте разнообразия типов трансформаторов, марок масла, дат проведения ХАРГ и режимов эксплуатации. Перед отбором каждой из этих 144 проб с помощью МКЭМ высоковольтного оборудования «ЭЛЕКТРО» производилась электрошумовая локация аппаратов, из баков которых брались пробы. Остановлюсь на результатах лишь одного эксперимента, который был направлен на исследование возможности нахождения универсальных математических моделей, позволяющих осуществить многопараметровый мониторинг, инвариантный к нагрузке трансформаторного оборудования и его длительным отключениям. В конечном счёте, выявление такой возможности означает существенное увеличение технологической гибкости электрошумового мониторинга. Нахождение общей модели проводилось на обучающем массиве данных, включающем в свой состав выборки 2, 3, 5 и 6, а достоверность полученных решенийподтверждалась по F-критерию Фишера при доверительной вероятности  0.95.

Коэффициенты множественной корреляции

Измерялись следующие параметры частичных разрядов:

• среднее за период сетевого напряжения значение частоты частичных разрядов (F_ср);
• частотный диапазон Δf=f_в-f_н, где f_н и f_в - граничные частоты, соответственно, ниже и выше которых наблюдается спад кривой спектральной плотности до уровня в √2 раз меньше максимального значения;
• максимальное значение спектральной плотности g_max за интервал наблюдения Т в диапазоне  f_н…f_в;
• суммарный кажущийся заряд Q_∑ за интервал наблюдения Т;
• среднее значение амплитуды импульсов тока ¯I_max, вызванных частичными разрядами, на интервале значений приложенного напряжения от 0,9U_max до 1,1 U_max;
• среднее значение длительности импульсов тока τ_ср. , вызванных частичными разрядами, на интервале значений приложенного напряжения от 0,9U_max до 1,1 U_max.

Параметры 1,5 и 6 определены ГОСТ 20074-83, информативность параметра 4 хорошо проиллюстрирована в книге В.П. Вдовико [Вдовико В.П., “Частичные разряды в диагностике высоковольтного оборудования”. Новосибирск: Наука, 2007. 155 с.], а целесообразность определения параметров 2 и 3 показана в нашей работе «Статистические характеристики частичных разрядов как диагностические признаки состояния изоляции высоковольтного оборудования», опубликованной в журнале «Контроль. Диагностика», 2015, № 2.

Параметры универсальных математических моделей

С целью упрощения процедуры мониторинга в ходе эксперимента изучалась возможность изменения номенклатурного и численного состава измеряемых электрошумовых параметров, входящих в состав универсальной математической модели. В таблицах на слайдах “Коэффициенты множественной корреляции” и “Параметры универсальных математических моделей” представлены значения коэффициентов множественной корреляции и параметров универсальных математических моделей, содержащих в первом случае все шесть ранее названных параметров частичных разрядов, во втором - лишь параметры 1, 2 и 3, связанные со спектральными характеристиками частичных разрядов, в третьем – только интегральные параметры частичных разрядов, т.е. параметры 4, 5 и 6.

Анализ полученных результатов показывает, что при некотором снижении требований к точности результатов мониторинга можно использовать модели с меньшим числом измеряемых  электрошумовых параметров. Например, для оперативного контроля целесообразно исключить сложные измерения кажущегося заряда частичных разрядов. При этом существенно снижается лишь коэффициент множественной корреляции для модели, позволяющей рассчитать значение концентрации этилена.

Погрешности многопараметрового электрошумового мониторинга

Для оценки достоверности многопараметрового электрошумового мониторинга применён следующий подход. Коэффициент множественной корреляции R характеризует тесноту группирования экспериментальных данных вокруг функциональной зависимости, связывающей измеряемые и контролируемые параметры. Вместе с тем, коэффициент множественной корреляции определяет приведенную погрешность восстановления исходных данных γ'. Указанные величины связаны между собой следующим приближенным соотношением

Это позволяет использовать коэффициент множественной корреляции для приблизительной усредненной оценки точности модели. Необходимо отметить, что уже при R<0.9 найденную модель нецелесообразно использовать для решения метрических задач мониторинга, поскольку погрешность γ' будет велика (более 20%).

На слайде выше приведены минимальные, максимальные и средние значения погрешностей γ расчета исходных концентраций растворённых газов в обучающей выборке 2+3+5+6 по математическим моделям, включающим в свой состав вышеуказанные наборы электрошумовых параметров.

Таким образом,  на основе экспериментальных исследований установлено следующее:

• для дистанционного мониторинга концентрации растворённых газов в масле главной изоляции силовых трансформаторов перспективно применение электрошумового метода диагностики;
• выявлено явное преимущество многопараметрового мониторинга перед мониторингом по одному параметру;
• электрошумовой мониторинг концентраций четырёх растворённых газов (метана - СН₄, этана - С₂Н₆, этилена - С₂Н₄ и водорода - Н₂), являющихся ключевыми либо характерными для большинства развивающихся дефектов электрического и термического характера, возможен на основе универсальных моделей, устойчивых к вариациям марок масла, типов трансформаторов и их нагрузки;
• электрошумовой мониторинг концентраций оксида и диоксида углерода, являющихся ключевыми газами для развивающихся дефектов твёрдой изоляции, возможен лишь на основе моделей, полученных для трансформаторов с близким характером  нагрузки;
• применение мехатронного комплекса «ЭЛЕКТРО» позволяет автоматизировать дистанционный мониторинг высоковольтного оборудования электрической подстанции в условиях разнообразия типов установленных силовых трансформаторов.

Сведения об авторе:

Шахнин Вадим Анатольевич – профессор кафедры электроэнергетики Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ); доцент (аттестат ДЦ 076135, выд. ВАК 10.11.1984 г.); доктор технических наук (диплом  ДДН 012354, выд. ВАК 22.01.10),  защитил в 2009 г. докторскую диссертацию на тему «Мехатронные комплексы магнитной локации крупногабаритных технических объектов с элементами из нанокристаллических магнитомягких сплавов» по спец. 05.02.05-Роботы, мехатроника и робототехнические системы и 05.02.11-Методы контроля и диагностика; автор 112-научных работ (в том числе двух монографий) и 32 изобретений, защищённых авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Для получения консультации по диагностике ЧР или информации о стоимости тестирования заполните форму:

Смотрите также:

Как локализовать частичные разряды в открытых распределительных устройствах?

Диагностика кабельной изоляции в режиме со стабилизацией частоты частичных разрядов

Портативный монитор частичного разряда от HVPD: потенциал прибора

Выбираем лучшие токовые клещи!

9 рекомендаций по диагностике силовых кабелей методом измерения частичных разрядов

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) на электрической подстанции