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.

Ученые предложили высокоточный метод СВЧ-регистрации частичных разрядов

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
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
Метод TDOA, примененный в эксперименте


Для сравнения векторов сигналов применяется простая евклидова метрика, которая подходит для сравнения неизвестной и известной величины.

Алгоритм поиска 
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
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
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:

Анализаторы сети электропитания Приборы для испытания силовых кабелей, измерения и диагностики частичных разрядов
   
Тепловизоры Приборы для поиска повреждений силового кабеля

 


Заказать звонок

- Email
- Confirm
Имя *
Телефон *
Комментарий
Согласие на отправку персональных данных *

* - Обязательное для заполнения