Оперативный (онлайновый) мониторинг технического состояния силовых трансформаторов при измерении частичных разрядов. А. И. Емельянов

Оперативный (онлайновый) мониторинг технического состояния силовых трансформаторов при измерении частичных разрядов. А. И. Емельянов

Принципы мониторинга технического со­стояния объектов при эксплуатации.
Важным условием получения объективной информации о техническом состоянии изучаемо­го объекта является прогнозирование его полного и остаточного ресурса. Напомним, что под техни­ческим состоянием понимают состояние объекта, в котором возникает недопустимый риск причи­нения вреда людям или окружающей среде, или существенных материальных потерь, или других неприемлемых последствий.
Среди технических состояний каких-либо объектов, в т.ч. электротехнических средств, раз­личают два базовых – исправное и неисправное. Второе имеет две разновидности – работоспо­собное и неработоспособное. Работоспособное состояние позволяет объекту выполнять заданные функции, а неработоспособное – нет. Поэтому, когда оценивают техническое состояние объекта, эти два состояния детализируют по отдельности.

Различие между реальным и требуемыми свойст­вами объекта – дефект.
При возникновении и развитии дефекта ис­правный объект становится неисправным, а сам дефект трансформируется из повреждения в от­каз.
В условиях эксплуатации необходимо опре­делять, а затем обеспечивать хотя бы работоспо­собное состояние объекта. Это требование выпол­няется в процессе технического обслуживания и ремонта, т.е. комплекса организационных меро­приятий и технических операций, направленных на поддержание работоспособности (исправно­сти) объекта и снижение вероятности его отказов при использовании по назначению, хранении и транспортировании, а также комплекса техниче­ских операций и организационных действий по восстановлению исправного или работоспособно­го состояния объекта и восстановлению ресурса объекта или его составных частей.
В совокупности эти два процесса входят в систему технического обслуживания и ремонта (ТОиР), представляющую собой совокупность взаимосвязанных средств, документации техни­ческого обслуживания и ремонта, а также испол­нителей, необходимых для поддержания и восста­новления работоспособного состояния объекта.
Если полный или частичный отказ, характери­зующийся переходом объекта в неработоспособ­ное или частично неработоспособное состояние, происходит неожиданно, его может сопровождать некоторый ущерб, т.е. потеря самого объекта как материальной ценности, возможная техногенная авария или катастрофа, нанесение вреда окружа­ющей среде и обслуживающему персоналу.
Таким образом, актуальность достоверной оценки технического состояния на основании тех­нического диагностирования объекта особенно возрастает на стадии его нормального функци­онирования с приближением к максимуму при завершении этого состояния.

Его задачи – контроль технического состоя­ния объекта, поиск места и определение причин отказа (неисправности) и оценка остаточного ре­сурса, которая осуществляется с целью:
• прогнозирования длительности безава­рийной работы;

• определения дальнейшей технико-эконо­мической целесообразности использования по­сле завершения определенного периода функци­онирования;

• совершенствования конструкции объекта и применяемых при их изготовлении материа­лов и технологий;

• оптимизации показателей эксплуатации, обслуживания и ремонта;

• обоснования номенклатуры и объема ре­зервного и обменного фондов комплектующих (запасных элементов);

• выявления наиболее ненадежных элемен­тов конструкции и выбора целесообразных спо­собов их замены и т.д.

Относительно недавно появился термин «мо­ниторинг технического состояния», под которым понимают наблюдение за объектом с целью полу­чения информации о его техническом состоянии и рабочих параметрах.
Таким образом, с помощью диагностирова­ния и мониторинга определяют ресурс работоспо­собности объектов и вырабатывают заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации и, если это возможно, то объем по режимам и продолжи­тельности. Повышение эффективности диагности­рования и мониторинга в оперативном режиме или режиме онлайн (далее – оперативный мониторинг) достигается тем, что контролируемое электрообо­рудование и его элементы находятся под воздей­ствием эксплуатационных нагрузок (напряжения, температуры). Это обеспечивает выявление основ­ных дефектов на ранних стадиях их развития.
Эффективность оперативного мониторинга может быть повышена и за счет увеличения часто­ты контрольных измерений, поскольку при этом увеличивается вероятность своевременного об­наружения быстро развивающихся повреждений. Имеется также и возможность выявления зави­симостей наблюдаемых параметров от времени, температуры и других эксплуатационных фак­торов. Такие зависимости позволяют более точ­но оценить характер и опасность развивающихся ранних дефектов, ввиду чего есть возможность их предупреждения и устранения, а при невозмож­ности этого – уменьшение возможного ущерба.
Все это в полной мере относится к силовым трансформаторам и их силовым элементам.

Силовые масляные трансформаторы и их основные неисправности.
Силовой трансформатор (далее – транс­форматор) – статическое устройство, имею­щее две или более обмотки, предназначен­ное для преобразования посредством элек­тромагнитной индукции одной или несколь­ких систем переменного напряжения и тока в одну или несколько других систем перемен­ного напряжения и тока, имеющих обычно другие значения при той же частоте, с целью передачи мощности.
Можно сказать, что любой современный трансформатор – это стационарно установлен­ный мощный и функциональный электропри­бор, основным назначением которого является изменение параметров электрического тока. Их применяют для обеспечения электроэнергией от­дельных объектов потребления, а также целых населенных пунктов и регионов.
Трансформаторы классифицируют по:
• условиям работы – для работы в нормаль­ных и специальных условиях;

• виду изолирующей и охлаждающей сре­ды – масляные и сухие, заполненные негорючим жидким диэлектриком, с литой изоляцией;

• типам, характеризующим назначение и основное конструктивное исполнение, – одно­фазные и трехфазные, с РПН, с ПБВ и т.д.

Различное назначение, нередко связанное с различиями в конструкции, разнообразные усло­вия работы и другие особенности требуют различ­ного подхода к эксплуатации и оперативной диаг­ностике технического состояния трансформаторов.
Эти силовые устройства также бывают по­вышающими и понижающими, т.е. могут исполь­зоваться для повышения или понижения напря­жения в электросети. В нашей стране наиболее распространены понижающие трансформаторы, которые нужны для снижения напряжения в элек­тросети до «бытового значения».
Где бы ни находились и как бы ни эксплуа­тировались трансформаторы, возможные повре­ждения у них, в принципе, общие. Повреждения или отклонения от нормального режима работы трансформатора могут быть вызваны различными причинами: недоработкой конструкции, скрытыми дефектами изготовления, нарушениями правил пе­ревозки, технологии монтажа или правил эксплуа­тации, некачественным ремонтом. В большинстве случаев повреждение происходит не сразу, а после более или менее длительного воздействия небла­гоприятного фактора. Поэтому своевременное вы­явление возникающего дефекта позволяет принять меры по предупреждению его развития и сохране­нию работоспособного состояния трансформатора.
Уровень эксплуатации определяет не харак­тер возможных повреждений, а возможность как можно более раннего выявления проявляющих­ся отклонений от нормы, проведения требуемого объема профилактических работ, качественного ремонта. Естественно, что чем выше уровень экс­плуатации и мониторинга, тем меньше «неприят­ностей» доставляют трансформаторы.
Главная причина большинства повреждений электрооборудования, в т.ч. трансформаторов, – нерасчетные эксплуатационные воздействия на диэлектрик, т.е. вещество, основным электриче­ским свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле8. В свою очередь, материал, предназначенный для исполь­зования его диэлектрических свойств, называют диэлектрическим. В результате этих воздействий оборудование либо повреждается в момент воз­действия, либо в его диэлектрическом материале, выполняющем роль изоляции, появляется дефект, развитие которого завершается повреждением.
Напомним, что электрическая изоляция (да­лее – изоляция) – это слой диэлектрического мате­риала или конструкция, выполненная из диэлектри­ка, которыми покрывают поверхность токоведущих элементов или которыми токоведущие элементы отделяют от других частей электроустановки.
Как и для диэлектриков, электрическую на­грузку изоляции оценивают величиной напряжен­ности электрического поля в ней. Чем она больше, тем больше силы, действующие на заряженные частицы диполей. Этим силам противодействуют внутримолекулярные силы сцепления частиц, от величины которых зависят электроизоляционные свойства диэлектриков.
Если же напряженность электрического поля превысит некоторую критическую величину, то диэлектрик теряет электроизоляционные свойства. Явление полного разряда в твердом диэлектрике под действием электрического поля называют про­боем, а минимальное, приложенное к диэлектрику электрическое напряжение, приводящее к его про­бою, – пробивным напряжением диэлектрика.
Пробои изоляции обусловлены многими фак­торами и в зависимости от того, какие из них пре­обладают, бывают тепловыми, электрическими, электрохимическими, ионизационными и элек­тромеханическими.
В эксплуатации трансформаторов имеют ме­сто два основных вида пробоя изоляции – те­пловой и электрический. В первом случае это пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектри­ческих потерь, а во втором – пробой, обусловлен­ный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.
Тепловой пробой происходит в результате об­разования проводящего канала за счет обуглива­ния изоляции тепловой энергией, выделяющейся в месте повышенных диэлектрических потерь, показателем которых является угол диэлектрических потерь δ, т.е. угол, дополняющий до π/2 рад угол сдвига фаз между приложенным напряжением и то­ком, протекающим через испытываемый материал.
Для выявления такого дефекта на ранней ста­дии развития эффективно измерение tg δ и емкости основной изоляции под рабочим напряжением, из­мерение температуры поверхности оборудования в зоне активной части, кроме того, при таком дефекте изменяется форма тока через основную изоляцию. Все это может быть использовано для организации оперативного мониторинга состояния изоляции.
Электрический же пробой основной изо­ляции начинается с пробоя части изоляции или участка изоляционной поверхности, т.е. с частич­ного разряда. Данному повреждению, наряду с изоляцией трансформаторов, также подвержены нелинейные ограничители перенапряжений с по­лимерной изоляционной основой, шунтирующие реакторы, высоковольтные кабели и другое элек­трооборудование.
Далее рассмотрим основные методы опера­тивного мониторинга и контроля технического состояния трансформаторов и их силовых эле­ментов, основанные на обнаружении и измерении уровня частичных разрядов в изоляции.

Определение понятия «частичный разряд» и физические процессы, способствующие его возникновению.
Частичный разряд (далее – ЧР) – элек­трический разряд, который шунтирует лишь часть изоляции между электродами, нахо­дящимися под разными потенциалами.
Как правило, ЧР являются следствием ло­кальной концентрации электрических напря­жений в изоляции или на ее поверхности. Они появляются в виде импульсов с длительностью меньше 1 мкс, однако в газообразных диэлектри­ках могут возникать и более продолжительные разряды, так называемые безимпульсные разряды. Импульсы ЧР сопровождаются излучением звука, света, тепла и химическими реакциями.
Обычно ЧР возникают в пустотах в твердой изоляции (бумажной или полиэтиленовой), в мно­гослойных системах электродов/проводников, имеющих несколько слоев твердой изоляции, а также в пузырьках газа (в случае жидкой изоля­ции) или вокруг электродов в газе (коронный раз­ряд) и в большинстве случаев представляют собой воздушные или масляные промежутки в изоляции. Все это касается электрических систем, работаю­щих при напряжении от 3 кВ и выше, хотя ЧР мо­гут происходить и при более низких напряжениях.
С физической точки зрения ЧР представля­ет собой результат локальной концентрации на­пряженности электрического поля внутри или на поверхности изоляции, превышающей ее элек­трическую прочность. Вследствие действия пе­ременного напряжения происходит поляризация диэлектриков, и на поверхности включения обра­зуется слой связанных с молекулами диэлектрика зарядов, создается напряженность поля включе­ния. В определенный момент, когда напряжен­ность поля включения больше или равна элек­трической прочности диэлектрика в локальном объеме, и происходит ЧР.
При образовании ЧР их энергия тратится на: работу по расширению канала разряда – до 20 %; потери нерезонансного излучения – до 15 %; те­плоотвод – до 5 %; ионизацию – до 3 %. Следова­тельно, более половины энергии будет передавать­ся поверхностям включения или ли окружающему диэлектрику. В связи с эти быстропротекающий процесс расширения канала разряда вызывает ударную волну, которая также вызывает разруше­ние поверхностного слоя диэлектриков и способ­ствует образованию микротрещин в механически напряженных участках изоляции.

Впервые с разрушительным действием ЧР в большой группе оборудования сверхвысокого напряжения столкнулись в конце 1950-х годов при эксплуатации трансформаторов 400 кВ. Это стимулировало разработку электроизоляцион­ных и электромагнитных систем с повышенной напряженностью электрического поля и магнит­ной индукцией. Старая технология изготовления изоляции и отдельные конструкторские решения создали условия для образования и развития ЧР. Известно явление так называемого ползущего разряда, когда ЧР развивались по поверхности барьеров из электрокартона вдоль обмотки ВН в результате повышенной тангенциальной напря­женности электрического поля. Принятые меры по совершенствованию технологии изготовления изоляции и конструкций отдельных узлов транс­форматоров, а также повышение уровня экс­плуатации привели к существенному снижению аварийности. Тем не менее проблема эксплуата­ционной надежности сохранилась в связи со ста­рением оборудования и отсутствием эффективной системы оперативного мониторинга их техниче­ского состояния.

Комплекс физических характеристик ЧР.

Обычно ЧР происходят в местах, где ди­электрические свойства изоляции неоднородны. В этих местах напряженность электрического поля может усиливаться. Такие местные усиления поля могут приводить к местному частичному пробою. Этот пробой не является полным пробо­ем изоляционной системы. Обычно ЧР для своего развития необходимо газовое включение, т.е. за­полненные газом промежутки внутри изоляции, расположенные около проводника или около вну­тренней поверхности изоляции.
ЧР может произойти, когда местная напря­женность поля превысит напряженность пробоя изоляционного материала. Этот процесс может привести к многочисленным импульсам ЧР в те­чение одного периода приложенного напряжения.
Величина заряда, переносимого при разря­де, тесно связана со свойствами неоднородности материала, такими как его размер, пробивное на­пряжение и удельные диэлектрические свойства материала, т.е. поверхностные свойства, тип газа, его давление и т.д.
В комплекс основных физических характери­стик ЧР входят:
• кажущийся заряд, qi – абсолютное зна­чение такого заряда, при мгновенном введении которого между электродами испытуемого объ­екта напряжение между его электродами крат­ковременно изменится на такое же значение, на какое изменилось бы при ЧР. Кажущийся заряд обычно выражается в кулонах (Кл);

• импульс ЧР – импульс тока или напряже­ния, возникающий под действием ЧР;

• скорость повторения ЧР, n – отношение общего количества импульсов ЧР, зарегистриро­ванных в течение выбранного интервала време­ни, к продолжительности этого интервала;

• частота повторения импульсов ЧР, N – число импульсов ЧР в секунду при равномерно распределенных импульсах;

• средний ток ЧР, I – производная величи­на, являющаяся суммой абсолютных значений индивидуальных амплитуд кажущихся зарядов qi, в течение выбранного опорного интервала времени Tref, деленная на продолжительность этого интервала;

• напряжение возникновения ЧР, Ui – на­именьшее значение напряжения, при котором интенсивность ЧР становится равной или пре­вышает нормированную интенсивность при по­вышении напряжения на объекте испытаний;

• напряжение погасания ЧР, Uе – наимень­шее значение напряжения, при котором интен­сивность ЧР становится равной или меньше нормированной интенсивности при снижении напряжения на объекте испытаний;

• мощность разряда, Р – производная ве­личина, являющаяся суммой произведений ка­жущихся зарядов с амплитудой qi, на соответ­ствующие мгновенные значения напряжения возникновения ЧР ui в течение интервала време­ни измерения ЧР Tc;
• энергия единичного ЧР, W – производная величина, являющаяся произведением мгновен­ного значения напряжения возникновения ЧР Ui на его кажущийся заряд qi. Энергия единичного ЧР выражается в Джоулях (Дж).

Использование данного комплекса физиче­ских характеристик ЧР позволяет не только опре­делить состояние изоляции с точки зрения на­личия в ней дефектов, но и выявить динамику развития дефекта, начиная с момента возникнове­ния ЧР до его критических значений, свидетель­ствующих о необратимых процессах в изоляции. Используя весь комплекс характеристик, можно выделить наиболее значимые из них и получить достоверные данные о состоянии изоляции.
В практике контроля качества изоляции трансформаторов и его силовых элементов ис­пользуют преимущественно только одну характе­ристику ЧР – кажущийся заряд импульса ЧР – qi.

Методы и системы измерения характе­ристик ЧР в изоляции высоковольтных кон­струкций.
Основная цель измерения физических ха­рактеристик ЧР в изоляции высоковольтных кон­струкций заключается в получении расширенной диагностической информации для выработки за­ключения о ее состоянии.
Измеряемые характеристики ЧР используют при: разработке новых видов электрической изо­ляции и технологии ее изготовления; создании новых конструкций высоковольтного оборудова­ния или его частей; контроле состояния изоляции изготавливаемого оборудования; отслеживании состояния изоляции вводимого в эксплуатацию оборудования после монтажно-наладочных работ; проверке состояния изоляции оборудования по­сле ремонтных работ; оперативном мониторинге состояния изоляции в период эксплуатации элек­трооборудования, т.е. под рабочим напряжением.
Те или иные физические характеристики генери­руются соответствующими физическими явлениями, происходящими в изоляции при воздействии ЧР:
• возникновение импульсного тока в искус­ственно создаваемых цепях, где имеются объек­ты с ЧР;

• электромагнитное излучение в окружаю­щее пространство;

• ударные волны;
• разложение диэлектрика на молекулярные группы в зоне действия ЧР;

• световое излучение в окружающее про­странство;

• нагрев локальных объемов изоляции с ЧР.

Анализируя эти явления, можно сделать опре­деленные выводы. Так, возникновение импульсно­го тока вызывает сигналы трех типов: электриче­ского, электромагнитного и акустического. Первые два типа сигналов различаются несколько условно, т.к. электрический сигнал всегда сопровождается электромагнитным. Различие между ними скорее относится к методам регистрации, т.е. электриче­ский сигнал измеряется в проводах, а электромаг­нитный – регистрируется с помощью антенны.
Соответственно, для регистрации ЧР мож­но использовать электрические (подключаемые к входным или выходным шинам оборудования или шинам его заземления через конденсатор связи или трансформатор тока), электромагнитные (ра­диоприемники с антенной наружной или внутрен­ней установки) и акустические (внутренние или наружные) датчики.
Основываясь на природе перечисленных фи­зических явлений, разработаны методы обнару­жения, обработки и тестирования ЧР, обеспечи­вающие оперативный мониторинг технического состояния изоляции трансформаторов и его вы­сокозольного оборудования, базирующиеся на процессах преобразования энергии, связанных с электрическими разрядами, такими как сила све­та, акустические сигналы, электромагнитные вол­ны или образование химических реакций.
Далее более подробно рассмотрим некоторые из них.

Метод акустической локации
Уже отмечалось, что часть энергии, выделив­шейся в канале разряда, преобразуется в меха­ническую и создает короткий импульс давления (ударную волну) в изоляции. Распространяющий­ся со скоростью звука, определяемой свойствами диэлектрика, импульс давления может быть обна­ружен соответствующим датчиком, расположен­ным вдали от места ЧР. На этом основаны методы контроля, называемые акустическими.
При распространении импульса давления от места его возникновения до датчика происходит потеря энергии из-за поглощения в жидкости (ма­сле) и элементах конструкции. Из-за этого им­пульс давления может уменьшиться в десятки раз.
Акустические методы контроля применимы для решения значительного круга задач. Рассмо­трим лишь вопросы, связанные с оперативным мониторингом масляного трансформатора и его маслонаполненных конструкций. Для решения этих задач используют следующие характеристи­ки процесса: импульс давления (или другие па­раметры, связанные с энергией импульса), время распространения и частотный спектр акустиче­ского сигнала. Параметры, связанные с энергией импульса давления, характеризуются амплитудой сигнала на выходе акустического датчика.
Временем распространения называют интер­вал между моментом возникновения ЧР и прихо­дом импульса давления к датчику или интервал между моментами прихода импульса давления к датчикам, установленным в разных точках иссле­дуемого трансформатора.
Частотный спектр акустического сигнала, ре­гистрируемого на наружной поверхности бака (корпуса) маслонаполненного аппарата (транс­форматора, высоковольтного ввода, регулятора напряжения и т.п.), связан с особенностями про­хождения сквозь него волны давления. При про­хождении сквозь металлическую стенку волны давления, распространяющейся в масле, каждому углу падения волны соответствует определенное значение частоты колебаний, при которой коэф­фициент прохождения волны близок к единице. Поэтому при прохождении волны давления сквозь стенку бака или корпуса из широкого спектра ча­стот, излучаемого источником ЧР, в данной точке стенки выделяются колебания, частота которых зависит от угла падения волны и толщины стенки бака (корпуса). Акустический сигнал на наружной поверхности стенки бака в радиальном направле­нии от эпицентра источника разрядов оказывает­ся как бы разложенным в частотный спектр.
Импульс давления приходит к датчику раз­ными путями – прямой волной в масле, а также по маслу до ближайшей точки бака, а затем по его стенке (продольными и поперечными колеба­ниями). Скорость распространения этих состав­ляющих контролируемого импульса различна и определяется скоростью распространения звука в данной среде. Различно и затухание волн, распространяющихся разными путями. Поэтому в общем случае сигнал на выходе акустического датчика (микрофона или параболического зеркала с акустическим приемником) содержит составля­ющие разной интенсивности, пришедшие разны­ми путями.

Кроме того, в акустическом сигнале могут появиться импульсы, отраженные от различных элементов конструкции.
Рекомендуется использовать следующие временные и частотные характеристики датчи­ков и каналов регистрации и тестирования сиг­налов ЧР:
• временное разрешение при регистрации сигналов всех типов – не хуже 10 мкс;
• частотный диапазон датчиков элек­трического канала: нижняя граничная частота 1–10 МГц, верхняя – 30–100 МГц;

• частотный диапазон датчиков акусти­ческого канала: нижняя граничная частота 50– 100 кГц, верхняя – 120–300 кГц;

• частотный диапазон датчиков электромаг­нитного канала: нижняя граничная частота 300– 700 МГц, верхняя – 700 МГц – 1 ГГц.

Измерительное оборудование, работающее в каждом из этих трех частотных диапазонов, отли­чается параметрами, свойствами, особенностями монтажа первичных датчиков, ценой.
Ввиду особенностей явления прохождения прямой волны сквозь стенку бака (корпуса) она может быть обнаружена акустическими датчика­ми лишь в зоне, ограниченной конусом с верши­ной, расположенной в месте разрядов, и с углом при вершине около 30°.

Первый метод основан на выявлении точки поверхности бака, где амплитуда сигнала макси­мальна. Эта точка является эпицентром разрядов. Местоположение ЧР уточняется, исходя из кон­струкции трансформатора. Поскольку этот метод реализуем лишь при установке датчика в зоне про­хождения прямой волны, необходимо производ­ство измерений в большом количестве точек на поверхности бака или установка большого коли­чества датчиков для одновременных измерений. Рекомендуется устанавливать датчики в зонах вы­водов фаз трансформатора и между ними. По вы­соте бака следует производить два-три измерения в указанных зонах. Итого для локации необходи­мо провести измерения примерно в 30 точках (по 15 точек с каждой стороны трансформатора).
Методы временной локации основаны на из­мерении времени распространения импульса дав­ления от места ЧР до датчика. Применяется также измерение интервалов времени между приходом импульса давления к датчикам, установленным в разных точках бака.
При практической реализации первых двух методов локации возникают значительные труд­ности. Так, для определения места ЧР необходи­мо измерить с достаточной точностью момент прихода прямой волны к датчику. Регистрируе­мый сигнал датчика содержит и другие состав­ляющие. При этом, поскольку скорость рас­пространения продольной волны в стенке бака в 4 раза превышает скорость распространения волны в масле, возникает ошибка в определении момента прихода сигнала.
Также существенно усложняет выделение прямой волны и наличие акустических помех.

Основные источники таких помех при контроле трансформатора – магнитострикция сердечника, шумы системы охлаждения, включая шумы от циркуляции масла, внешние помехи, восприни­маемые стенкой бака (шум от короны, работа раз­личных механизмов и т.п.). Интенсивность шумов в области низких частот велика (рис. 3-б), однако при частоте, превышающей 15–20 кГц, шумы су­щественно снижаются, поэтому для целей акусти­ческого контроля обычно применяется диапазон частот выше 20–30 кГц.
Локация по частотному спектру сигнала акустического датчика может быть проведена несколькими способами. Один из способов за­ключается в определении частоты максимума аку­стического сигнала в точке установки датчика и последующем расчете по этой частоте и толщине стенки бака угла падения звуковой волны. Отно­сительно датчика источник ЧР находится на по­верхности конуса с вершиной в точке контроля и углом при вершине, определяемым углом падения волны. Пересечение поверхностей трех конусов, соответствующих результатам измерений в трех точках, определяет место ЧР.
Устройство для обнаружения частичных раз­рядов акустическим методом состоит из первич­ного преобразователя (датчика) и измерительного прибора. На сегодняшний день широко приме­няются измерительные комплекты оперативного мониторинга типа AR.

Акустические датчики с магнитным крепле­нием устанавливаются на бак трансформатора и преобразуют импульсы давления, генерируе­мые зоной ЧР, в электрический сигнал. Обыч­но применяют датчики с пьезоэлектрическим преобразователем с диапазоном частот от 30 до 300 кГц. Поэтому такие датчики часто называют ультразвуковыми.
Перечислим основные преимущества метода акустической локации ЧР:
• применение этого высокочувствительного метода позволяет выявлять образование ЧР в дефектных местах на ранних стадиях;

• полученные характеристики ЧР дают воз­можность для всеобъемлющей оценки свойств дефектов и характера процесса ЧР;

• метод позволяет определить интеграль­ные характеристики множества разрядов, а так­же свойства единичных разрядов; при измерении безинерционно отражаются разрядные явления в изоляции и т.д.
Недостатком данного метода является то, что изоляция высоковольтных трансформаторов представляет собой многослойную конструк­цию (изоляционная бумага, электротехниче­ский картон и т.р.), помещенную в трансформа­торное масло и, соответственно, пропитанную им. Прохождение звукового сигнала через та­кую многобарьерную среду сопровождается ин­тенсивным затуханием и многократными от­ражениями, что существенно снижает уровни регистрируемых сигналов. Кроме того, транс­форматор, находящийся в рабочем состоянии, сам является источником ультразвуковых коле­баний, уровень которых, как правило, сущест­венно выше уровня ультразвуковых колебаний от ЧР. Поэтому возникновение ЧР внутри такой конструкции не всегда может быть достоверно зарегистрировано.
Можно сделать вывод, что для максимально точного выделения полосы акустических сигна­лов, генерируемых ЧР, требуется компарирование данных, полученных с помощью других методов

Электрический метод
Электрический метод измерения ЧР, при­меняемый с 80-х годов прошлого века, в насто­ящее время является самым востребованным и точным. Данный метод основан на контроле ЧР в электрических цепях, связанных с диагно­стируемым трансформатором. Как уже отмеча­лось, критерием состояния изоляции является уровень частичных разрядов, т.е. определенная граница, при достижении которой кажущимся зарядом можно сделать вывод об опасном де­фекте изоляции.
Принцип действия данного метода заклю­чается в следующем: в результате ЧР в искус­ственных цепях протекают импульсные токи, а датчики, имеющие непосредственный контакт с исследуемым трансформатором, фиксируют ве­личину импульсных токов, т.е. кажущийся заряд.
Измеряющую ЧР систему можно разделить на подсистемы – датчик ЧР, включающий систе­му передачи сигнала, и измерительное устрой­ство. Эти подсистемы оказывают значительное влияние на результаты измерений. Выбор дат­чиков, приборного оснащения и техники изме­рений определяется ожидаемыми параметрами измерений, которые могут быть затем использо­ваны для дальнейшего анализа и интерпретации результатов измерений.
В принципе, ЧР могут быть обнаружены либо по излучаемому электромагнитному импульсно­му сигналу, либо по электрическим цепям, свя­занным с трансформатором. Во втором случае для обнаружения сигнала ЧР используют отдельный конденсатор. Электромагнитный импульсный сигнал ослабляется из-за экранирующего эффек­та различных конструктивных частей трансфор­матора. Поэтому на чувствительность приема сигнала существенное влияние оказывают место установки антенны, расстояние до источника ЧР и рабочий частотный диапазон приемной системы.
Датчики ЧР, обнаруживающие импульсные сигналы, проходящие по электрическим цепям, обычно состоят из высоковольтной емкости и по­следовательно соединенного с ним низковольт­ного устройства. В качестве отдельной емкости могут использоваться: существующий зарядный конденсатор; дополнительный разделительный конденсатор; емкость соединительных кабелей.
Для получения датчика ЧР эти емкости могут применяться совместно со следующими устрой­ствами связи, спроектированными для получения требуемых частотных характеристик – цепи R-L-C и трансформаторы тока (ТТ), включающие в себя разделительный трансформатор и пояс Роговско­го (измерительный трансформатор тока, выпол­ненный в виде длинного замкнутого соленоида с произвольной и практически замкнутой формой и равномерной намоткой, один из выводов которой приведен к другому через ось соленоида).
Эти датчики ЧР, которые используют для ра­боты в низкочастотном диапазоне, обычно обес­печивают хорошую чувствительность не толь­ко в случае близких к датчику ЧР в стержнях (секциях) обмотки, но и в ее удаленных частях. В то же время датчики, работающие в высокоча­стотном диапазоне, обеспечивают хорошую чув­ствительность только при ЧР, близких к месту установки датчика.
Датчики ЧР, обнаруживающие электромаг­нитные импульсные сигналы, обычно являют­ся антеннами, которые имеют характеристику чувствительности, существенно зависящую от места их установки и специфических частотных характеристик.
На рис. 5 (приведен в печатной и электронной версии журнала) показаны датчики ЧР трансформа­торного и антенного типов.
При подборе этих датчиков рекомендуют, чтобы перечень технических данных, прилагае­мый к ним, содержал частотные характеристики.
Электрические сигналы от датчиков ЧР из­меряют и фиксируют различные устройства. Тип применяемых измерительных устройств за­висит от метода дальнейшей обработки, анализа и интерпретации сигнала. Однако рекомендует­ся использовать устройства, которые позволяют непосредственно или путем последующей обра­ботки измеренных сигналов ЧР обеспечить, по крайней мере, картину распределения импуль­сов по величине, по фазе и результирующую фазированную картину ЧР.
Обычно измерительное устройство состоит из: входного усилителя и частотного фильтра; блока обработки сигнала, т.е. формы импульса сравнения его с образцом, запоминания и оциф ровки; блока подавления шума; блока визуализации и фазовой синхронизации.

Чтобы достигнуть оптимальных частотных характеристик измерительной системы в целом в одном из частотных диапазонов, частотные характеристики измерительного устройства должны соответствовать известным частотным характери­стикам датчиков.

Для оценки поведения ЧР необходимо, по крайней мере, измерить амплитуду кажущегося заряда qi каждого импульса ЧР и обработать его. Амплитуда отдельного импульса qi может быть выражена в единицах напряжения (мВ) или за­ряда (нКл) в зависимости от характерного для данной измерительной системы частотного диа­пазона. Преобразование амплитудного значения ЧР, измеренного в единицах напряжения (мВ), в заряд (нКл) и обратно обычно невозможно, осо­бенно в высокочастотном диапазоне.
При использовании цифровых измеритель­ных устройств амплитуда ЧР qi соответствует цепочке импульсов ЧР для каждого индивиду­ального случая ЧР, происходящего в течение времени измерений и связанного с мгновенным значением напряжения ui при времени ti или фа­зовом угле .i внутри соответствующего перио­да изменения линейного напряжения. В каждом случае измеренные значения ЧР записываются с помощью измерительного устройства соответ­ствующего типа и сохраняются для возможно­сти их дальнейшего анализа. Это обеспечивает выполнимость последующего расчета дополни­тельных параметров ЧР.
При использовании измерительных систем, работающих в высокочастотном HF- или сверх­высокочастотном VHF-диапазоне, могут быть из­мерены дополнительные параметры импульса ЧР, такие как время нарастания и спада импульса, и даже его форма, чтобы впоследствии применить специальные методы анализа временных и ча­стотных областей, т.е. для разделения различных источников ЧР.

Онлайновые измерения ЧР трансформаторов и их высоковольтных элементов могут осуществляться на периодической основе во время работы трансформатора с измерительными устройствами ЧР, временно соединенными с установленными датчиками ЧР через соответствующие точки доступа. Альтернативой является постоянное наблюдение за ЧР с постоянно установленными измерительными устройствами ЧР и соответствующими линиями связи. Для обоих случаев необходимо провести начальные, базовые измерения, которые затем можно использовать как референтные для дальнейших измерений и выявления анализа тенденций развития ЧР.

Заключение

Многие годы измерение ЧР использовалось в качестве точного критерия при оценке качества новых типов изоляции, а также для определения места источника ЧР в изоляции из-за возникающих на нее воздействий при работе. По сравнению с другими диэлектрическими испытаниями (измерение коэффициента затухания или сопротивления изоляции) измерение ЧР позволяет обнаружить слабые места изоляционной конструкции с целью их идентификации. Особенно это относится к онлайновым измерениям, которые чувствительны не только к ЧР, но и к наличию дуги, короны и искрения. Онлайновые измерения ЧР перечисленными методами регистрируются при воздействии на трансформатор всех факто- ров: тепловых, электрических, механических и окружающей среды.

Сопоставление достоинств и недостатков электрического и акустического методов показывает их противоположность, а именно – электрический метод позволяет измерять абсолютные значения кажущегося заряда с достаточной точностью, но имеет низкую помехозащищенность. Акустический же метод, наоборот, имеет высокую помехозащищенность, но не позволяет получать абсолютные значения кажущегося заря- да. Поэтому одновременное использование обоих методов дает хорошие результаты.

Таким образом, при проведении измерений ЧР необходимо осознавать, что не все проблемы, связанные с изоляцией трансформаторов и их высоковольтного оборудования, могут быть решены путем измерения ЧР, они могут быть связаны с повреждением изоляции из-за постоянных токов утечки, связанных с наличием проводящих кон- туров между различными ее элементами, или с явлением безимпульсных разрядов.

Статью в полном виде с картинками, рисунками и формулами Вы можете посмотреть в журнале "Главный энергетик", №8, 2019 г. Оформление подписки по телефону в редакции (017) 336-13-60.