Investigation of high-voltage discharge in oil on a simulator with a different set of defects

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Силовые трансформаторы (СТ) представляют собой один из основных элементов системы электроснабжения железных дорог, ввиду этого выявление предаварийных состояний СТ является актуальной задачей [1]. В процессе эксплуатации СТ необходимо обеспечивать его работоспособное состояние и предупреждать возможный выход из строя по причине быстроразвивающихся дефектов [2–4]. Состояние изоляции внутри маслонаполненного бака, как одного из определяющих параметров, напрямую связано с техническим состоянием силового трансформатора. Ухудшение изоляции в баке СТ происходит по причине механических, термических и электрических нагрузок [5, 6]. Воздействие повышенных нагрузок приводит к изменению теплового режима, возникновению и развитию разрядных процессов внутри изоляции СТ [7–10]. Разрядные процессы, как правило, развиваются постепенно во времени. Ввиду отсутствия технического обслуживания, первичные частичные разряды (ЧР), возникающие в твердой изоляции могут переходить в искровые разряды, и в дальнейшем данная деградация может приводить к дуговым разрядам, последствия которых могут быть необратимыми, и обязательно сопровождаются существенными материальными и временными потерями для ОАО «РЖД» [1].

Для недопущения описанных аварийных режимов работы, существуют, разрабатываются и функционируют различные методики диагностирования, в том числе направленные на определение состояния изоляции СТ. Основным применяемым на сегодняшний день методом диагностирования является хроматографический анализ газов, растворенных в трансформаторном масле, имеющий определенные недостатки – трудоемкость и длительность процесса диагностирования. Недостатки хроматографического анализа позволяет нивелировать метод с использованием акустического контроля развития разрядных процессов в изоляции силовых трансформаторов.

Диагностирование с использованием акустического контроля позволяет регистрировать разрядные процессы внутри изоляции СТ. После регистрации имеется возможность проведения качественного анализа по полученным сигналам с целью определения вида дефекта и степени его развития.

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Известно техническое решение [11], основанное на применении имитатора дефектов (ИД) акустического контроля, позволяющее провести снижение дополнительных погрешностей, вызываемых сезонными изменениями температуры, возможным изменением коэффициентов усиления измерительного тракта, и изменениями вязкости трансформаторного масла при проведении диагностирования. В данной работе предлагаются технические решения по совершенствованию метода акустического контроля с применением ИД, который заключается в возможности получения расширенного набора дефектов.

Структурная схема предлагаемого имитатора с различным набором дефектов представлена на Рис. 1.

 

Рис. 1. Структурная схема имитатора с различным набором дефектов

БП – блок питания; ЭК – электронный коммутатор; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ВТ – высоковольтный трансформатор; СЦАД – система цифровая акустико-эмиссионная диагностическая; П – преобразователь акустический; Пр – переключатель;
Э – электроды; БМ – бак маслонаполненный.

 

Принцип действия данной схемы заключается в следующем. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует импульсы низкого напряжения на электронный коммутатор (ЭК), который предназначен для прерывания тока в цепи первичной обмотки высоковольтного трансформатора (ВТ). Блок питания (БП) питает электронный коммутатор (ЭК), а так же вырабатывает импульсы напряжения для первичной обмотки высоковольтного трансформатора (ВТ). Ток высокого напряжения с частотой, вырабатываемой генератором тактовых импульсов (ГТИ), от вторичной обмотки высоковольтного трансформатора (ВТ) подается на один из электродов (Э) различной формы и степени изоляции, который выполняет роль электрического разрядника, выбор которого осуществляется переключателем (Пр). При выборе на переключателе (Пр) электрода определенной формы (Э) происходит выбор определенного вида дефекта.

Таким образом, реализуется имитатор с расширенным набором дефектов, сигналы от которого можно сравнивать с сигналами, полученными при акустическом контроле испытуемого силового трансформатора. Работа электрода возможна в различных средах – воздух или трансформаторное масло. Преобразователи акустические (П) предназначены для фиксации ЧР и их преобразования из акустической формы в электрическую. Система цифровая акустической диагностики (СЦАД) предназначена для регистрации электрических сигналов, поступающих от преобразователей акустических (П), их обработке и представлению в цифровой форме [12, 13].

На Рис. 2 показана схема расположения электродов в маслонаполненном баке.

 

Рис. 2. Схема расположения электродов в масляном баке

1 – корпус маслонаполненного бака; 2, 3, 4, 5 – электроды, имитирующие различные дефекты; 6 – провод; 7 – преобразователь акустический; 8 – изолятор; 9 – шина заземления.

 

Корпус маслонаполненного бака имитатора с расширенным набором дефектов выполнен из стали, при этом задняя и передняя стенки корпуса являются прозрачными для визуальной регистрации электрических разрядов, как видно по Рис. 2. К корпусу бака подключаются один из двух электродов разрядников различной формы и нулевой потенциал БП.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Электроды различной формы позволяют воспроизвести различные дефекты изоляции, среди которых:

• дефекты металлических проводников различной формы;
• дефекты в изолированных проводниках с нарушением изоляции.

Дефекты металлических проводников различной формы позволяют исследовать разрядные явления в следующих элементах «игла – плоскость» (дефект 1), «шар – шар» (дефект 2), «проводники с нарушенной изоляцией» (дефект 3), «игла – игла» (дефект 4) [14, 15].

Дефекты, описанные выше, можно различать по параметрам сигналов разрядных процессов, зарегистрированных при помощи СЦАД. На Рис. 3–6 приведены осциллограммы нестационарных сигналов, полученные с использованием дефектов 1–4 соответственно.

 

Рис. 3. Осциллограмма нестационарного сигнала полученного с использованием электродов вида «игла – плоскость»

 

Рис. 4. Осциллограмма нестационарного сигнала полученного с использованием электродов вида «шар – шар»

 

Рис. 5. Осциллограмма нестационарного сигнала полученного с использованием электродов с «нарушенной изоляцией»

 

Рис. 6. Осциллограмма нестационарного сигнала полученного с использованием электродов «игла – игла»

 

Осциллограммы приведены по убыванию мощности разрядов, при одинаковых условиях воздействия на соответствующие электроды. Временные сигналы представлены на нижних графиках Рис. 3–6. По вертикальной оси отложены амплитуды сигналов в единицах АЦП, по горизонтальной – время в мкс.

Для правильного распознавания видов дефектов на силовых трансформаторах необходимо сравнить количественные оценки сигналов, полученных с использованием имитатора дефектов. Ниже приведены параметры, по которым выполнялось сравнение сигналов от различных дефектов.

Параметр A_m – максимальная амплитуда сигнала в единицах АЦП, определяет мощность разряда. В своем большинстве акустические сигналы, возникающие вследствие электрических разрядов на представленных электродах имеют форму затухающих импульсов, с временем затухания Т_З. Некоторые из них могут иметь интервал нарастания с временем Т_н [16].

Для характеризации формы акустических сигналов в программном обеспечении была использована функция быстрого преобразования Фурье (FFT), представлено на верхних графиках Рис. 3–6. По вертикальной оси отложены амплитуды А_m, по горизонтальной – частота в кГц. На представленных спектрах выделены доминантные частоты F_д1, F_д2, F_д3.

Сводные данные по зарегистрированным сигналам с четырех дефектов приведены в Табл.

 

Таблица. Численные значения параметров акустических сигналов для электродов различной формы

№ деф.	Am, ед. АЦП	Tн, мкс	Тз, мкс	Fд1, кГц	Fд2, кГц	Fд3, кГц
1	850	50	50	520	580	650
2	540	70	230	110	130	230
3	380	–	50	130	–	–
4	220	130	200	130	200	–

 

По полученным осциллограммам с использованием имитатора с различными видами дефектов можно сделать вывод о том, что мощность зарегистрированных сигналов убывает с увеличением номера дефекта (уменьшение параметра Am), различными являются так же параметры Т_н, Т_з, F_д1, F_д2, F_д3, таким образом, можно проводить качественный анализ и распознавать дефекты по приведенным параметрам зарегистрированных акустических сигналов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Приведена информация по разработке и экспериментальным исследованиям имитатора с различным набором дефектов изоляции силовых трансформаторов. Приведены зарегистрированные сигналы акустического контроля для различных дефектов изоляции, представлены их количественные параметры.

ВЫВОДЫ

Использование имитатора с различным набором дефектов позволит сопоставлять сигналы, измеренные на силовом оборудовании, с сигналами, полученными с использованием имитатора, это позволит определять не только наличие, но и виды дефектов в силовом оборудовании. Предложенные технические средства и приведенные параметры повысят достоверность диагностирования силовых трансформаторов в системе электроснабжения железнодорожного транспорта, принять своевременные меры по техническому обслуживанию или ремонту дорогостоящего оборудования.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00477, https://rscf.ru/project/23-29-00477/.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов.
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Anton V. Gorlov

Omsk State Transport University

Email: kuznetcovaa994@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8413-6612
SPIN-code: 8845-5070

PhD student

Russian Federation, Omsk

Maria A. Volchanina

Omsk State Transport University

Email: kuznetcova994@gmail.com
SPIN-code: 2130-4637

engineer

Russian Federation, Omsk

Anton V. Ponomarev

Omsk State Transport University

Email: antonyswork@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1468-5402
SPIN-code: 8927-5050

PhD, docent

Russian Federation, Omsk

Andrey A. Kuznetsov

Omsk State Transport University

Author for correspondence.
Email: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
SPIN-code: 5259-0531

Doctor of Technical Science, professor

Russian Federation, Omsk

References

Supplementary files