Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Диагностика оборудования систем электроснабжения. Учебное пособие
.pdf
52
Повышение точности метода, его эффективности и надежности
достигается применением ЭВМ.
2.3 Метод поиска дефектов в изоляции по изменению частотных
характеристик
При эксплуатации ЭУ установлено, что экстремальные резонансные
точки смещаются от собственных частот трансформатора в зависимости от
степени износа и увлажнения внутренней обмоточной изоляции. При этом
изменяются собственные частоты витка, слоя, катушки или обмотки в
целом и взаимосвязанные с ними емкостные составляющие обмоток, а
индуктивность при целостности обмоток не меняется.
Сняты частотные характеристики (зависимость входного
напряжения, подаваемого на выводы высоковольтной обмотки
трансформатора от частоты в диапазоне 2-300кГц и выходного напряжения
на соответствующих выводах обмотки от частоты) U
1
, = К
1
(f); U2 = К2(f).
Частотные характеристики вторичных обмоток трансформатора
снимались под нагрузкой и в режиме холостого хода. Исследования
проводились для трех состояний изоляции: увлажненная изоляция по
нормам отбраковки, промежуточное состояние и состояние изоляции,
отвечающей нормам эксплуатации.
Метод поиска дефектов в изоляции по изменению частотных
характеристик апробирован исследованиями силовых трансформаторов
напряжением 6-35кВ, мощностью 50-630кВА, используемых как модели
трансформаторов больших габаритов.
Исследования вторичных обмоток трансформаторов показали, что
экстремальные точки характеристик U1 = К1(f); U
2
= К
2
(f) смещаются по оси
частоты в сторону уменьшения частоты от степени увлажнения внутри
обмоточной изоляции. Коэффициент передачи η= U2/U1, на полосе частот
53
50-100кГц достигает 100, в некоторых случаях и более, в то время как для
номинальной частоты 50Гц соответственно равен 0,04.
При изменении состояния изоляции также меняются величины
коэффициента передачи. С уменьшением мощности трансформатора
коэффициент передачи увеличивается. С рабочей частоты 180кГц для
трансформаторов со слоевой обмоткой зависимости близки к линейным.
Частота перехода с нелинейной части в линейную зависит от мощности
трансформатора. Форма частотных характеристик для катушечной обмотки
идентична формам для трансформаторов со слоевой обмоткой.
2.4 Метод диагностики изоляции по параметрам волновых процессов
Характер затухания волнового процесса, определяемый периодом и
амплитудой затухания, зависит от параметров схемы замещения обмотки,
в число которых входят и параметры витковой изоляции ОД.
При прохождении по обмотке прямоугольного импульса некоторой
амплитуды решение уравнения, описывающего волновой процесс, можно
разделить на две составляющие: конечное распределение падающей волны
и бесконечный ряд свободных колебаний:
(2.2)
где ai(t) - амплитуда i -той гармоники; νi,, - пространственная частота i-той
гармоники; U1 - амплитуда падающей волны.
После ряда преобразований можно получить конечное уравнение,
общее решение которого имеет вид:
54
(2.3)
В обмотке трансформатора – ОД, существуют свободные колебания с
угловой частотой:
(2.4)
При частоте (ώп)2 > 0 колебания в обмотке ОД отсутствуют, т.е. в ней
происходит периодически затухающий процесс. Выполнение последнего
условия можно объяснить значительным увеличением проводимостей С и
q, имеющих место при сильном разрушении изоляции. Одновременно с
этим будет наблюдаться и уменьшение параметров Си и Св.
Рассматривая свободные колебания для основной гармоники n = 1 на
конце обмотки X = 0, получаем уравнение:
(2.5)
Отношение напряжений Uc(t) / Uc(t+T) определяет потери энергии
электромагнитной волны за период собственных колебаний T для основной
гармоники:
(2.6)
В этом случае отношение параметров σ / ώ будет характеризовать
отношение амплитуд свободных колебаний в моменты времени t и t+Т
55
(2.7)
Разрушение изоляции обмоток трансформатора сопровождается
изменением ее диэлектрической проницаемости, что ведет к уменьшению
поперечной и продольной емкостей обмоток С и Св.
Таким образом, начальное условие эксплуатации трансформатора
будет характеризоваться минимальными значениями параметров С и q. В
идеале σ стремится к нулю, а q ограничено волновым сопротивлением
обмотки провода и максимальными значениями Св и С.
Отношение (2.7) будет характеризовать общее состояние изоляции
обмоток трансформатора и может быть принято в качестве комплексного
параметра изоляции при диагностировании ЭУ.
2.5 Метод поиска дефектов с применением инфракрасного
и тепловизионного контроля
Повышенный нагрев при эксплуатации электроэнергетического
оборудования и отдельных элементов ОД происходит за счет
диэлектрических потерь из-за токов утечки в изоляторах, потерь в
магнитопроводах, потерь на переходном сопротивлении контактов и т.п.
Применительно к изоляции трансформаторов напряжением выше
1000В тепловое излучение определяется уровнем диэлектрических потерь:
P1=U2 ώ C tgδ (2.8)
и токами утечки по поверхности изолятора:
Р
2
=U2/RИЗ, (2.9)
56
где U - падение напряжения на изоляторе; ώ- угловая частота; С -емкость
изолятора, Ф; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь при рабочей
температуре Тр; R
ИЗ
- активное сопротивление изолятора, МОм.
Диэлектрические потери в изоляторах создают температурный
перепад между изолятором и окружающей средой, а также температурный
перепад между изоляторами при наличии дефектных изоляторов.
Для целей диагностирования изоляции воздушной линии (ВЛ) и
трансформатора (Тр), подключенного к ней, измерение температурного
излучения более предпочтительно, чем измерение падения напряжения на
гирлянде ВЛ или колонке изоляторов Тр, т.к. температура возрастает в
квадратичной зависимости от падения напряжения.
Величина значения интегрального теплового излучения изоляторов
ВЛ и Тр оценивается по закону Стефана-Больцмана:
W = ε δ0 (T0/100)4S, (2.10)
где ε - приведенный коэффициент теплового излучения (для фарфора 0,90,94); σ0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, σ0 = 5,6687
Вт/(м2К4); Т0 - абсолютная температура излучения, К; S - поверхность
шапки изолятора, м2.
Исходя из граничных значений температурного диапазона, в котором
оценивают изоляторы ВЛ и Тр в условиях эксплуатации от -60 до 500С,
длины волн диапазона в максимуме теплового излучения определяют по
закону смещения Вина:
λ
max
T0=2.897 мкм, (2.11)
где λ
max
- длина волны в максимуме излучения при абсолютной
температуре излучения Т0, (мкм); Т0 - абсолютная температура излучения,
К.
57
Максимум теплового излучения изоляторов ВЛ и Тр занимает полосу
спектра электромагнитных колебаний от 9 до 13мкм, т.е. находится в
средневолновой области инфракрасного диапазона.
Используя формулы (2.9 - 2.11), можно оценить тепловое равновесие
при рассеивании тепловой энергии в окружающую среду изолятором, при
его нагреве диэлектрическими потерями, и токами утечки.
Рассчитать температуру перегрева каждого изолятора ВЛ и Тр без
дефектных изоляторов при нормальном распределении напряжения по
изоляторам и для гирлянд с одним дефектным изолятором при разном
расположении этого изолятора по формуле:
(2.12)
где t0 - температура окружающей среды, 0С.
Для выявления дефектных изоляторов в гирлянде или колонке
сравнивают температуру дефектного изолятора с температурой соседних
изоляторов (верхнего и нижнего).
Тепловизионный контроль применяют для диагностики фарфоровых
изоляторов ВЛ, также вводов силовых трансформаторов и масляных
выключателей. В начале развития дефекта температура внутри гирлянды
ВЛ или ввода Тр повышается и по изменению теплового поля выявляются
дефектные изоляторы, требующие технического обслуживания.
В отечественной и зарубежной практике эксплуатации ЭУ при
диагностировании тепловых повреждений электрических машин с
использованием инфракрасного излучения выявляют:
короткозамкнутые витки в различных обмотках;
пробой или ослабление корпусной изоляции;
58
замыкание между листами стали;
дефекты ротора и статора.
2.6 Метод диагностики на базе изменения
электромагнитного поля и проникающих излучений
При диагностировании электроэнергетического оборудования
используют информативные свойства электромагнитного поля (ЭМП), в
частности, для ЭУ напряжением выше 1000В используются частоты от 103
до 1011Гц. Ограничения по верхним частотам определяются степенью
миниатюризации датчиков ЭУ, размеры которых должны быть в сотни
тысяч раз меньше длины полуволны высшей из рабочих частот.
Важная информация о состоянии ОД, заложенная в структуре ЭМП,
выражается зависимостью:
K
λ,ώ
=∆f ∆τ+(λ
min
/2) 3∆ξ=const (2.13)
В формуле 2.13 первый член суммы определяет частотно-временной
объем информации сигнала, коэффициент которого определяется через
произведение полосы используемых частот ∆f и времени подачи ∆τ.
Второй член определяет пространственный объем информации,
связанный с неоднородностью структуры ЭМП. Его коэффициент
вычисляется через произведение составляющей λ
min
/2, представленной
через минимальную из длин волн в спектре сигнала, и величины ∆ξ,
определяющей плотность неоднородной структуры ЭМП.
Использование свойств ЭМП в широком диапазоне спектра позволяет
решать следующие задачи диагностирования ЭУ:
съем и запись информации по сигналам, несущим информацию о
пространственно-временных процессах;
59
создание метода потенциал видения, позволяющего обнаруживать
дефекты внутри оптически- и радио непрозрачных ОД;
обнаружение внутренних неоднородностей в изоляции
электрооборудования.
Методы проникающих излучений применяются для выявления пор,
раковин, включений, трещин изоляции ЭУ. К ним относятся рентгено - и
гамма - просвечивание. Эти виды излучений являются электромагнитными
колебаниями с длиной волны от 1 до 0,001нм.
Необходимым условием для рентгеновского диагностирования
является возможность двухстороннего подхода к диагностируемой ЭУ.
Чувствительность и разрешающая способность зависят от размера
фокусного пятна рентгеновской трубки. Трубки, работающие при
повышенном напряжении, имеют более острый фокус. Чем острее фокус,
тем четче изображение дефекта электрооборудования. Метод применяют
для электрорентгенографии муфт кабельных линий электропередач.
Метод моделирования распространения электромагнитной волны с
помощью длинной линии находит применение при диагностировании
изоляции линий электропередач. При наличии тонкостенных объектов в
ЭУ диагностирования изменение активных потерь можно объяснить с
помощью классической теории распространения электромагнитной волны
в металле конечной толщины, например, кабельной линии (КЛ).
В основе этой теории лежат уравнения Максвелла. Если поля
изменяются синусоидально во времени, то физические свойства среды
характеризуются комплексными величинами:
электрической проводимостью δ(jώ);
диэлектрической проницаемостью ξ(jώ);
магнитной проницаемостью μ(jώ).
60
При вещественных значениях магнитной и диэлектрической про-
ницаемости уравнения Максвелла называют волновыми уравнениями,
описывающими волновые процессы в среде. Вид уравнений Максвелла
зависит от параметров среды. Для их решения задаются нормальная и
тангенциальная составляющие векторов Е и Н на границе раздела сред.
При этом исходят из условия, что нормальная составляющая вектора
индукции и тангенциальные составляющие напряженности электрического
поля Е и магнитного поля Н на границе раздела двух сред непрерывны.
При этом уравнения вида:
(2.14)
имеют формальное сходство с дифференциальными уравнениями длинных
линий в установившемся режиме (телеграфные уравнения).
Заметим, что длинная КЛ может быть образована двумя параллельно
расположенными проводами. Эти линии используют для передач энергии
от радиопередатчика к антенне. Напряжение и ток в любой точке длинной
КЛ определяются с помощью выражений:
(2.15)
где γ2 - постоянная распространения волны тока и напряжения в линии.
Роль напряжения в волновых уравнениях играет напряженность
электрического поля, а току соответствует напряженность магнитного
61
поля. Характер нагрузки на конце КЛ определяет расстояние до задней
стенки, от которой часть энергии отражается в обратную сторону.
2.7 Метод выявления дефектов в изоляции по анализу газов,
растворенных в масле
В процессе старения изоляция электроэнергетического оборудования,
например, трансформаторов, претерпевает ряд физико-химических
изменений. При этом выделяются продукты разложения - твердые, жидкие
и газообразные вещества.
Твердые изоляционные материалы на основе целлюлозы (бумага,
картон) при медленном старении выделяют газы; в их числе водород,
низкомолекулярные углеводороды, а также окись и двуокись углерода,
образующиеся при окислении целлюлозы.
Газы образуются также и при старении масла, причем интенсивность
газовыделения зависит от напряженности электрического поля и
химического состава трансформаторного, конденсаторного и другого
маслонаполненного оборудования ЭУ.
Газовыделение зависит от режима работы ЭУ, продолжительности
эксплуатации, примененных в нем материалов и ряда других
эксплуатационных факторов. Продукты разложения материалов
накапливаются в масле или в над масляном пространстве
электроэнергетического оборудования; их можно обнаружить при анализе
проб, например, выключателя.
Методы, основанные на выявлении продуктов разложения (старения)
электротехнических и конструкционных материалов, применяют при
диагностировании силовых трансформаторов, масляных выключателей,
конденсаторов и т.п. (таблица 2.1).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]