Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные дефекты в твердотельных высоковольтных диэлектрических материалах и конструкциях и их влияние на рабочее состояние изоляции 13
1.1 Электрические характеристики диэлектрических материалов 13
1.2 Основные твердотельные высоковольтные диэлектрические материалы и возможные дефекты в них
1.2.1 Керамические материалы (фарфор) 14
1.2.2 Полимерные материалы 17
1.2.3 Процессы старения и разрушения полимерных материалов и конструкций 19
1.2.4 Коронные разряды 22
1.3 Техническая диагностика электрооборудования высокого напряжения 22
1.3.1 Общие принципы диагностики 22
1.3.2 Регистрация дефектов в изоляторах методами частичных разрядов 24
1.4. Выводы к главе 1 26
Глава 2. Комплексная дистанционная диагностика высоковольтных изоляторов 28
2.1. Современное состояние методов контроля рабочего состояния ВИ 28
2.2. Особенности электрофизических характеристик ЧР 31
2.3. Характеристики ЧР в изоляторах 32
2.4. Структура оперативного контроля и методики измерений 36
2.5. Выводы к главе 2 44
Глава 3. Набор основных характеристик ЧР, необходимых для Оптимального дистанционного контроля рабочего состояния ВИ, находящихся в эксплуатации 46
3.1 Основные требования к характеристикам ЧР 46
3.2 Методика и результаты стендовых измерений характеристик ЧР контактным методом 52
3.3 Результаты стендовых измерений характеристик ЧР дистанционным методом с помощью электромагнитного и акустического датчиков 55
3.4. Выводы к главе 3 64
Глава 4. Контроль технического состояния высоковольтных изоляторов в процессе эксплуатации 66
4.1. Оценка применяемости комплексного метода контроля ВИ 66
4.2. Дистанционный бесконтактный комплексный метод контроля ВИ с помощью электромагнитного и акустического датчиков 70
4.2.1. Особенности дистанционного контроля ВИ в сетях 70
4.3. Выводы к главе 4 83
Заключение. Основные результаты и выводы 84
Перечень сокращений 86
Список работ отражающих основное содержание диссертации 87
Список литературы
- Полимерные материалы
- Регистрация дефектов в изоляторах методами частичных разрядов
- Характеристики ЧР в изоляторах
- Дистанционный бесконтактный комплексный метод контроля ВИ с помощью электромагнитного и акустического датчиков
Полимерные материалы
Как установлено рядом экспериментов [33,43], электрическая прочность анизотропного стеклопластика в основном определяется физико-химическими свойствами эпоксидных смол, как связывающего материала. Вследствие этого обстоятельства далее будут рассматриваться именно свойства эпоксидных смол, уже изученных в ряде работ по пробою полимерных материалов. В отличие от механического разрушения изоляторов при электрическом пробое, характерного для керамических материалов, для полимеров электрическим разрушением является возникновение проводящего канала в приложенном поле. Причем начало пробойного состояния состоит в зарождении частичных повреждений материалов в виде дендритной (древовидной) структуры. Основной причиной возникновения дендритной структуры и последующего разрушения однородного полимерного материала являются существующие газовые или проводящие включения, неоднородности структуры, создающие местное повышение напряженности поля, или обладающие более низкой электрической прочностью по сравнению с прочностью основного материала. Причем при малых размерах неоднородностей менее десятка мкм (например пор) в них не возникают ЧР и такие неоднородности не влияют на электрическую прочность [3]. При больших размерах неоднородностей первичные ЧР в полимерах, в отличие от керамик, являются причиной расширения первоначального канала разряда с возрастанием дендритного состояния. Поскольку электрическое разрушение имеет сложный временной характер, в том числе связанный с химическими процессами в объеме действия разряда, то неудивительно, что до настоящего времени не существует единой физико химической, электрической модели, адекватно описывающей данный процесс. На основе общих представлений о процессах электрического старения как главного фактора для полимеров [2, 36, 41–44], старение можно несколько условно разделить на два временных этапа. Первый из них со временем 1 от начала приложения номинального рабочего напряжения до зарождения каких либо первичных дефектов, например для полимеров в виде первичных древовидных каналов. Длительность первого этапа в нормальных условиях эксплуатации может соответствовать периоду в несколько лет без заметного снижения электрической прочности [45, 46, 47]. Такой временной интервал 1 характеризует проходящие под действием поля процессы, подготавливающие полимер к пробою: инжектирование электронов с электродов, формирование и последующая эволюция объёмных зарядов разных знаков, ионизация полимерных молекул. Временные характеристики этих процессов различны. Присущую позиции различных процессов кинетику подготовки полимера к пробивному состоянию будут также определять ЧР и температуру канала разряда. Так при достижении температуры 700–1000 К происходит деструкция полимеров. Второй этап со временем 2 происходит от зарождения дендритов до пробоя и может варьироваться от 1 до 106 с и во многом определяется температурой (Т). Пробой полимерной изоляции происходит в результате роста дендритов и последующего перекрытия межэлектродного промежутка дендритов. Причем в отсутствие ЧР каналы дендритной структуры являются непроводящими. Образование нового канала определяется разрушением диэлектрика, окружающего существующие каналы с характерным временем роста ( 103 с). Образование каналов можно рассматривать как незавершенный пробой, поскольку изолирующие свойства диэлектрика в этом случае нарушены. В процессе роста дендрита максимально возможная длина траектории разряда увеличивается и соответственно возрастает величина наблюдаемых разрядов. Максимальная величина разрядов увеличивается с ростом мгновенного значения прикладываемого напряжения, т.е. от фазы напряжения и пропорциональна амплитуде ЧР [43]. В целом процесс старения от момента приложения поля до момента пробоя (1–2), характеризуемый как электрическая долговечность, согласно закону Аррениуса, можно представить в виде [41] Q(E) кТ т(Е,Т) = т0ехр (1.1) где 0 – эмпирический коэффициент, зависящий от структуры полимера; Q(E) – энергия пробоя; K – постоянная Больцмана. В расчетах Q(E) представляется функцией, линейно зависящей от поля: Q(E) = Q0-E (1.2) где – коэффициент, характеризующий уменьшение энергии пробоя с ростом поля Е. На основе выполнения экспериментов для различных видов полимеров было установлено [41, 25], что независимо от вида полимера выражение (1.2) имеет линейный вид, а значение Q0, определимое путем экстраполяции к Е=0, имеет разброс порядка 20% вблизи значения 1,2 эВ. Определение независимого значения Q0 от условий эксперимента и режима воздействия электрического поля позволяет делать прогнозы об электрической долговечности ПИ на основе анализа временных параметров ЧР в зависимости от перенапряжения и температуры.
К настоящему времени наиболее полно исследован на модельных образцах твердотельных полимеров только пробой в объеме полимера, через малые каверны двух видов: плоские каверны, ограниченные диэлектрическими или металлическими слоями [47, 40, 49] и сферической формы [42]. Однако эти работы не только не касались реальных дефектов в полимерных изоляторах, но и при расчетах опирались в основном на старые экспериментальные результаты.
Регистрация дефектов в изоляторах методами частичных разрядов
В данной системе измерения используется принцип фазового детектирования, который основан на регистрации двух основных параметрах ЧР -амплитуда и число импульсов за определенный фазовый интервал периода высокого напряжения. При этом измерение этих параметров ЧР выполняется синхронно с фазой высокого напряжения, а аналого-цифровое преобразование производится в течении периода напряжения. Период напряжения разбивается на 2200 одинаковых фазовых интервалов. Величина одного интервала составляет Дф=360/2200=0,160 или при частоте сети 50Гц его длительность At =20мс/2200=0,009мс. Квантование или дискретизация по уровню осуществляется при помощи задания опорной амплитуды Uref в течение каждого периода Uo. В течение каждого фазового интервала подсчитывается количество ЧР и амплитуда каждого ЧР, превышающего заданную опорную амплитуду Uref (рис 2.7).
Исходные данные записываются во внутреннюю память прибора SDT270, а затем происходит воспроизведение этих данных.
Виртуальный прибор связан с многофункциональной измерительной платой сбора данных NIUSB 6341, интегрированной в персональный компьютер. Платой АЦП NIUSB 6341 осуществляются выборки входного сигнала в дискретные равноотстоящие моменты времени с частотой дискретизации, и преобразование их в последовательности цифровых кодов, вводимых в персональный компьютер. По цифровым кодам АЦП с помощью измерительной программы вычисляются соответствующие им значения напряжения.
Для связи с платой NIUSB 6341 в виртуальном приборе служит элемент DAQ Assistant. При записи данных, зная примерную амплитуду записываемого сигнала, в приборе DAQ Assistant, был ограничен диапазон от стандартного значения ±10В до ±2В для ультразвукового датчика. Данное ограничение повышает быстродействие и точность работы платы АЦП NIUSB 6341. Частота дискретизации платы АЦП составляла 108 кГц и 2000000 выборок, что позволяет достаточно качественно преобразовать аналоговый сигнал с электромагнитного датчика. Считывание платой массива данных происходит в течении 18 секунд, что соответствует 924 периодам сетевого напряжения, после этого сигналы в виде потока динамических данных поступают на разделитель сигналов, где происходит разделение идущих в одном потоке данных с датчика и сигнал синхронизирующей синусоиды питающего напряжения. Для индикации записываемого сигнала служит графический индикатор Radio.
Разделенные сигналы поступают на преобразователи динамических данных в двумерные массивы индекса и амплитуды сигнала. Для синусоиды определяется количество выборок платы АЦП, соответствующих одному периоду сетевого напряжения. Это необходимо для определения коэффициента соответствия количества выборок платы АЦП, времени длительности одного периода сетевого напряжения в виртуальном приборе обработки данных. Сигналы с датчиков и синусоида питающего напряжения считываются параллельно и записываются в два массива sin и sig, которые сохраняются в одной папке проводимого измерения.
В блоке построения диаграмм определяется количество ЧР за каждые двадцать фазовых градусов периода сетевого напряжения. На фазовых диаграммах [69], после программной обработки, каждому ЧР соответствует точка, соответствующая фазе возникновения ЧР и амплитудой, зависящей от мощности ЧР. На графике распределения ЧР все единичные точки образуют скопления точек с близкой амплитудой и фазой возникновения. Таким же образом происходит построение зависимости количества ЧР от амплитуды и нахождение среднего числа ЧР в каждом фазовом интервале [11A].
Для сравнительного анализа с помощью разработанной программы строится нормированные графики распределения ЧР, где высота столбцов зависит от количества ЧР за определенный фазовый интервал сетевого напряжения. За максимум принимается фазовый интервал с наибольшим количеством зарегистрированных импульсов ЧР, и относительно него в процентном соотношении к максимальному значению определяется высота столбцов, характеризующих относительное количество ЧР в других фазовых интервалах. По окончании построения графиков результаты измерения сохраняются в файле.
Разработанная система измерения ЧР сочетает в себе все достоинства современных многоканальных анализаторов сигналов, а именно: прямое детектирование амплитудно-фазовых характеристик (АФХ) и зависимости количества ЧР от фазового угла, возможность построения АФХ и зависимости количества ЧР от фазового угла, возможность проведения длительных измерений в целях мониторинга состояния изолятора или испытуемой модели. Как показали эксперименты, разработанная система измерения характеристик ЧР может быть применена для оперативного контроля и мониторинга состояния изоляторов в эксплуатации [12A]. 1. Анализ современного состояния методов контроля рабочего состояния и рассмотрение электрофизических процессов в ВИ позволили определить предварительный набор характеристик ЧР, которые необходимы при дистанционном контроле ВИ, находящихся под высоким напряжением. 2. Разработанная структура оперативного контроля ВИ, основанная на совместном детектировании сигналов импульсов ЧР электромагнитным и акустическим датчиками с компьютерной регистрацией, накоплением и анализом характеристик ЧР, может быть применена для дистанционного контроля и мониторинга рабочего состояния ВИ в эксплуатации. 3. На основе разработанной структуры собран АПК, позволяющий измерять сигналы импульсов ЧР электромагнитным и акустическим датчиками, выполнять их цифровое преобразование, накопление, обработку и построение ряда характеристик ЧР.
Характеристики ЧР в изоляторах
В начале измерений электромагнитный и акустический приемники градуируют по чувствительности с учетом расстояния до источника ЧР, используя параметры характеристик (частичный разряд q, средний ток I), полученные контактным методом для бездефектного изолятора того же типа. При использовании модельного представления ЧР в виде диполя /3/, а расстояние z между источником ЧР и приемником, соответствующим дальней зоне, напряженность электромагнитного поля Ed можно представить в виде: Ed=kIAL/fsr, (3.1) где k=2/, f - частота излучения, - диэлектрическая проницаемость, I - ток ЧР. При неизменности L во время измерений, вполне уместно использовать значения Ed как эквивалент q. Измерения, проводившиеся на двух расстояниях r=2м и 6м показали хорошую сопоставимость с точностью до 2м 25-30% результатов, полученных с помощью электромагнитных и акустических датчиков для каждого образца ВИ, а так же с характеристиками ЧР, полученные с помощью контактного метода.
Была изучена серия подвесных полимерных ВИ ЛК 70/35 в составе 7 экземпляров, выведенных из эксплуатации после окончания нормативного срока службы в Казанских электрических сетях. Более подробное изучение, полученных комплексным методом характеристик ЧР в упомянутых выше ВИ, позволило разделить их на три группы. К первой группе относятся ВИ с минимальным по числу n и интенсивности (q20пКл) ЧР, расположенных в фазовых интервалах 70–90 и 220–240, (табл. 3.4) и не изменяющих характеристики ЧР со временем.
Другое, но не менее важное для практики, различие было обнаружено в характеристиках ЧР на самых дефектных полимерных изоляторах [16A]. Поскольку для них характерными дефектами являются образование треков на внешней поверхности стержня между ребрами оболочки и эрозии полимера на границе стержня и оконцевателя, то возможность различия этих дефектов весьма существенна при диагностике. Было установлено, что для дефекта пробоя вдоль стержня характеристики ЧР (интенсивность и число ЧР) примерно одинаковы для положительных и отрицательных полупериодов высокого напряжения (рис. 3.6). В тоже время характеристики ЧР для дефектов на границе стержень-оконцеватель имеют более сложный вид. Как следует из графиков на рисунке 3.7 в отрицательной фазе наблюдаются значительные увеличения числа ЧР по сравнению с положительной. Более того сама структура распределения ЧР в ней имеет несколько максимумов в интенсивности ЧР, который скорее всего можно объяснить наличием следов нескольких разрядов на поверхности стержня.
Этот факт можно отнести к особенности пробоя газового промежутка между диэлектрическим стержнем и металлическим электродом (оконцеватель). Известно [14], что возрастание ширины газового зазора увеличение напряженности поля в нем за счет разности диэлектрических проницаемостей диэлектрика и воздуха уменьшается. Поэтому малые по интенсивности ЧР, возникающие при малых фазовых углах напряжения, свидетельствуют также о малых зазорах на контакте диэлектрик-электрод. Значительно большие размеры дефектов ( 0,1-0,5мм) сопровождаются более интенсивными разрядами, возникающих в основном вблизи отрицательных по фазе максимальных напряженностей поля (270). Этот эффект мы объясняем возникновением визуально обнаруженных коронных разрядов, поскольку при процессе электронной эмиссии с катода, инициирующей пробой газового промежутка, то ЧР возникают при отрицательном напряжении на электроде (катоде). Теоретически в этом случае работает эффект полярности пробоя [2].
Кроме того, наблюдалось значительное отличие в распределении числа ЧР в зависимости от интенсивности ЧР для условно-бездефектных и дефектных полимерных ВИ (рис. 3.5 и 3.6) [17A]. Они были отнесены к бездефектным и полностью работоспособным ВИ. Ко второй группе относятся ВИ, содержащие ЧР (n 300 и q100пКл) с максимумами при =60–80 и 210–240, а так же небольшое количество мощных ЧР с n=20 при q=100–150пКл, не имевшие макроскопических дефектов, которые были отнесены к условно-бездефекным и работоспособным в настоящее время ВИ. В третью группу вошли ВИ имеющие макроскопические дефекты с размерами порядка нескольких мм ЧР, расположенные в фазовых интервалах 20–60 и 190–240 со средней интенсивностью порядка 350пКл.
Кроме того, наблюдались отдельные (n=20) ЧР с интенсивностью 800пКл. Эти ВИ были отнесены к дефектным и работоспособным, не требующим замены изоляторам. На рисунке 3.6 представлены характеристики ЧР, типичные для изоляторов третьей группы. Сравнение параметров фазовых интервалов для наиболее интенсивных и многочисленных ЧР групп 2 и 3, представленных на рисунках 3.5 и 3.6 и таблице 3.1, показывает, что существует значительный фазовый сдвиг ( более, чем в 2–3 раза ) полос ЧР в сторону меньших фазовых углов, как для положительных, так и отрицательных фаз высокого напряжения.
Дистанционный бесконтактный комплексный метод контроля ВИ с помощью электромагнитного и акустического датчиков
Определенной трудностью синхронного детектирования сигналов импульсов ЧР электромагнитным и акустическим датчиками, является различие скоростей распространения электромагнитных и акустических волн. Причем временные интервалы прихода на датчики сигналов ЧР даже на расстоянии порядка 5м между дефектом и датчиками, различаются на 1.410-2с. Поскольку один полупериод стандартного переменного напряжения соотвествует 10-2с, то в данном случае задержка акустического сигнала в АФХ составит 257. При контроле одиночных ВИ, как уже сообщалось в главе 2, для синхронизации использовались специальные датчики фазы. Однако при обследовании серии ВИ на подстанциях, где изоляторы расположены достаточно близко друг к другу (рис. 4.4). Этот способ мало пригоден из-за наводок от других ВИ. Использование узконаправленной акустической антенны позволило отличить сигнал одного изолятора от сигнала другого. В дальнейшем изложении материала все результаты измерения характеристик ЧР обоими методами приводятся в скорректированном виде с учетом расстояния между изоляторами и датчиками.
Поскольку детектируемые датчиками электромагнитные и акустические импульсы несут различную информацию о физических процессах, происходящих при ЧР, то это их свойство необходимо учитывать при анализе характеристик ЧР. Электромагнитные импульсы непосредственно отображают физические процессы, происходящие при разряде, и поэтому такие параметры как интенсивность, частота повторения ЧР в каждом из узких фазовых интервалах имеют большую достоверность, чем полученные из акустических измерений. На интенсивность ЧР, измеренных акустическим датчиком, значительно влияют упругие колебания самого изолятора в момент разряда. Однако акустические измерения в ряде случаев позволяют более точно обнаруживать не только дефектный изолятор, но и место дефекта. Поэтому только совместный анализ характеристик ЧР, полученных обоими датчиками, может дать более полную инфорацию о процессах ЧР и их влияние на техническое состояние ВИ [5А].
Итак, с помощью описанной выше комплексной методики, включающий дистанционное измерение ряда характеристик ЧР электромагнитным и акустическим датчиками, были обследованы фарфоровые опорно-стержневые изоляторы типа ИОС 110/400 на нескольких подстанциях, относящихся к ОАО «Сетевая компания» Казанские электрические сети (Западная и Водозабор). Особенностью этих подстанций был разброс времени ввода ВИ в работу от 1974 до 2012 годов; отсутствие каких либо данных об их состоянии на данный момент, кроме визуального осмотра и сроков предыдущих каких либо регламентных работ. Кроме этого, ВИ на подстанциях расположены кучно (рис. 4.4), что затрудняло какой либо близкий к ним (менее 5м) подход. Целью нашего обследования было в первую очередь выделение ВИ, имеющих серьезные дефекты, и требующих немедленной замены. Всего было обследовано 38 ВИ типа ИОС 110/400. С учетом ранее выполнениых стендовых испытаний ВИ, изложенных в главе 3, вначале несколько условно были сформулированы необходимые критерии для разбраковки обследованных изоляторов. Все обследованные изоляторы предполагалось разделить на четыре группы: полностью работоспособные, т.е. содержащие небольшие дефекты или вообще их не имеющие (группа 1); содержащие дефекты, не влияющие на работоспособность в данный момент (группа 2): содержащие дефекты, сохраняющие работоспособность, но требующие особого внимания и даже замены при последующих регламентных обследованиях (группа 3); ВИ, имеющие серьезные дефекты, вследствие которых изоляторы необходимо заменить в самые короткие сроки (группа 4). Сразу следует отметить, что ВИ, относящихся к полностью дефектным изоляторам (группа 4) по результатам измерения характеристик ЧР и визуального наблюдения, не было обнаружено. Поэтому все ВИ, обследованные нами, можно считать работоспособными на данный момент и их можно классифицировать на первые три группы. Эти выводы были сделаны на основе ранее разработанных оценок рабочего состояния ВИ, исходящих из таких показателей характеристик ЧР как интенсивность и число ЧР в определенных фазовых интервалах, фазовые углы ЧР с определенной нормируемой интенсивностью, соотношение числа наиболее мощных ЧР к общему числу в отдельных фазовых интервалах. Из общих положений нормативных документов следует, что в новых ВИ, полностью соотвествующих стандартам изготовителей, не возникают ЧР при рабочем напряжении. Поэтому, в условиях обследования в сети, за полностью работоспособный изолятор (группа 1, рис. 4.5) был выбран один из недавно поставленных в сеть ВИ (№1), в котором по результатам наших обследований, наблюдались наиболее высокие эксплуатационные показатели. Характеристики ЧР, приведенные на рисунке 4.5, содержат наименьшую относительную интенсивность и наименьшее число ЧР в наиболее активных фазных интервалах генерации ЧР, более поздние углы возникновения ЧР и их узкий фазовый интервал, отсутствие ЧР с большой интенсивностью (табл.4.2).
Наибольшее число ВИ, относится ко второй группе измерений малодефектных изоляторов. Примеры характеристик ЧР для таких ВИ приведены на рисунках 4.6–4.8 и таблице 4.2 (изоляторы №2–4). Также как и ВИ группы 1, они отличаются некоторым ( 10–20%) увеличением интенсивности ЧР, значительно большим числом и сдвигом к меньшим углам начала ЧР, отсутствием ЧР с большой интенсивностью (q50-10пКл). Вторая группа ВИ, следовательно, близка к характеристикам ВИ первой группы (рис. 4.6–4.8).
Однако обе первые группы более значительно отличаются по характеристикам ЧР от третьей группы
Изоляторы третьей группы (изоляторы №5–7 в табл. 4.2.), отличает значительно большая интенсивность (примерно в 8-10 раз) и число (в 2–5 раз) ЧР по сравнению с данными характеристик для группы 1 и 2; Сдвиг фазных углов (на 20 и более градусов) начала возникновения ЧР в меньшую сторону. И самый главный критерий–возникновение более мощных ЧР (q600пКл), способных генерировать новые дефекты или увеличивать уже существующие ранее (рис. 4.9– 4.11).
Анализ характеристик ЧР для группы 3 показал возможность определения типа дефекта и даже место его расположения. Так было установлено для нескольких ВИ третьей группы наличие коронных разрядов (изолятор №7 рис. 4.9), которые по нашему преположению связаны с дефектом на границе стержень–оконцеватель. На это обстоятельство указывают две особенности: интенсивное возникновение ЧР в отрицательном полупериоде сети при фазовых углах вблизи 270. Сам характер ЧР совпадает с ранее наблюдаемым коронным разрядом на полимерных ВИ, изложенных в главе 3. Другой тип мощного разряда (изолятор №6 рис. 4.10) скорее всего связан с пробоем вдоль стержня. Подобный тип мощных ЧР ранее также описан в главе 3. Его отличает более равномерное распределение ЧР в обоих полупериодах напряжения. Общим для обоих видов изоляторов группы 3 является практически одинаковость характеристики зависимости количества ЧР от интенсивности (рис. 4.9-4.11). Таблица 4.2 - Параметры характеристик ЧР для ряда изоляторов ИОС 110/400 с наиболее типичными параметрами. Знаки + и - относятся соостветственно к положительным и отрицательным фазовым интервалам периодов сети