Ученые предложили высокоточный метод СВЧ-регистрации частичных разрядов
Ученые и инженеры из Китая предложили модель размещения сверхвысокочастотных датчиков для определения местоположения утечки тока через изоляцию. Предложенный метод потенциально имеет более высокую точность обнаружения частичных разрядов в распределительных устройствах с элегазовой изоляцией. Это ценное качество, которое востребованно в современной энергетике.
Решаемая проблема
Нарушение целостности изоляции высоковольтного оборудования приводит к появлению частичного разряда (ЧР) с последующим разрушением оборудования. ЧР могут стать причиной короткого замыкания, дуговой вспышки, пожара и крупной техногенной катастрофы. Поэтому важно своевременно обнаружить ЧР и установить точное местоположение поврежденного участка изоляции. В отдельных случаях это крайне сложная задача, например, в комплектных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (КРУЭ). Подобные устройства для изоляции используют газ SF6 вместо воздуха или твердой изоляции.
ЧР ускоряет электроны, которые нарушают молекулярную структуру элегаза. Это приводит к появлению свободных радикалов, ионов и других химически нестабильных продуктов, которые ускоряют разрушение оборудования и могут спровоцировать дуговую вспышку.
Помимо обычных негативных последствий, частичные разряды меняют характеристики SF6, причем сильный нагрев элегаза является причиной появления токсичных соединений, которые могут нанести серьезный вред здоровью людей.
В настоящее время основные работы по контролю ЧР в КРУЭ проводятся на этапе сдачи-приемки и запуска оборудования. В итоге примерно 30% аварий КРУЭ происходят из-за развития скрытых дефектов, которые не были обнаружены вовремя. Сегодня существуют системы непрерывного мониторинга ЧР, например, HVPD Longshot с набором высокочастотных датчиков HFCT.
Устройство HVPD Longshot с датчиком HFCT
Многие предприятия не используют подобные системы, считая, что их высокая стоимость оправдана только в особых случаях. В то же время, повреждения изоляции приводят к незапланированным простоям оборудования, которые обходятся, например, для нефтегазовых предприятий в среднем в $220 тыс. в час, по подсчетам экспертов компании ABB.
Большие сроки межсервисных интервалов КРУЭ и сложности в обнаружении ЧР в закрытых газовых резервуарах требуют особых подходов к мониторингу. В настоящее время наиболее часто используется дефектоскопия оборудования при помощи ультразвука, а также обнаружение ЧР в элегазе по амплитудным спектрам частичных разрядов.
Ученые из Китайского горно-технологического университета в Сюйчжоу и ряда других учреждений предложили и практически испытали новую модель измерения ЧР с помощью датчиков СВЧ.
Суть эксперимента
В эксперименте китайские ученые использовали КРУЭ, включающее автомат защиты цепи, размыкатель цепи, переключатель заземления, трансформатор и шину питания. Подобные КРУЭ широко применяются из-за высокой надежности и компактного размера. Однако ЧР в таких устройствах вызывают рост температуры и образование озона, что может спровоцировать быструю деградацию элегаза и твердой изоляции. Напряжённость поля при пробое очень высока. Когда ЧР случается в небольшом объеме, пробой происходит очень быстро со скачком напряжения за наносекунду.
Такие короткие аномалии могут быть обнаружены СВЧ-датчиками по колебаниям электромагнитных волн на частотах 300 МГц - 3 ГГц. Важно разместить датчики в наиболее подходящем месте, чтобы измерения были непрерывными и достаточно точными для практического применения.
В предложенном методе обнаружение местоположения ЧР происходит с помощью расчета времени прибытия электромагнитного сигнала к расположенным в разных местах СВЧ-датчикам (метод TDOA, временная разница приёма). Точность локализации ЧР можно улучшить путем анализа данных с нескольких датчиков, соединенных оптоволоконными линиями связи.
Метод TDOA, примененный в эксперименте
Для сравнения векторов сигналов применяется простая евклидова метрика, которая подходит для сравнения неизвестной и известной величины.
Алгоритм поиска
Приблизительная локализация ЧР требует четырех вычислительных действий. Еще три действия требуются для высокоточного определения местоположения ЧР. При этом китайские ученые предложили усовершенствованный метод дуального разложения с применением комплексного вейвлет-преобразования (DTCWT). Это цифровая фильтрация сильно зашумленных сигналов.
Новый метод опробовали на испытательном стенде с КРУЭ 500 кВ, источником питания, детектором ЧР, встроенным СВЧ-датчиком, широкополосным осциллографом и т. д.
Схема и фото экспериментальной установки и ее топология
Эксперимент показал существенное преимущество в скорости и точности перед традиционными методами. Так, в секции с датчиками 8-9 время обнаружения ЧР составило 20 наносекунд на расстоянии 1000 мм от СВЧ-датчика №8. Абсолютная погрешность в определении расстояния составила 6,5 мм, или 0,7%.
Схема расположения датчиков
В целом, абсолютная погрешность для всей тестовой системы составила 22,8 мм, что почти вдвое лучше, чем 50 мм у традиционных методов с использованием индикаторов мощности принятого сигнала (RSSI).
Практическое применение
Преимуществом предложенного метода является точность, отказоустойчивость, синхронизация на уровне наносекунд, что означает высокое быстродействие. СВЧ-датчики уже используются для обнаружения ЧР в некоторых типах оборудования, например, трансформаторах с твердой изоляцией. Новый метод предлагает способ размещения СВЧ-датчиков на устройствах с элегазовой изоляцией. Новшество может повысить безопасность эксплуатации подобных энергоустановок и замедлить их моральное старение, связанное с отставанием от других типов оборудования, уде уже используются надежные автоматизированные системы непрерывного мониторинга ЧР.
Если вам нужна профессиональная консультация по вопросам измерения и анализа частичных разрядов, просто отправьте нам сообщение!
Примеры оборудования:
 |
 |
 |
 |
Смотрите также:
