Measuring the acoustic signals parameters of the defect simulator of power transformers

Cover Page

Abstract


Background: The article describes a device for simulating defects for use with acoustic control systems for high-voltage transformers.

 

Aim: experimental research of a mobile device for imitation of power transformer defects; determine the parameters of impulses simulating various insulation defects

Methods: development of technical means for imitation of insulation defects; experimental research; determination of parameters of signals simulating defects.

Results: a block diagram of a device for imitating defects is shown; experimental studies of the device for imitating defects were carried out; the power of pulses simulating various defects in the insulation of high-voltage transformers was calculated.

Conclusion: The proposed device generates high-voltage pulses that simulate various defects in the insulation of high-voltage transformers. The parameters of acoustic signals are given.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

При диагностировании силовых трансформаторов в системе электроснабжения железных дорог используется достаточно большое количество методов электрического и неразрушающего контроля. Применение акустических методов позволяет выполнить локацию мест возникновения и наличия дефектов изоляции при работе силовых трансформаторов [1–3]. Применение средств акустического контроля существенно повышает достоверность и быстродействие применяемого в настоящее время хроматографического метода контроля растворенных газов в трансформаторном масле.

Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы выявил наличие большого количества работ, посвященных методам и способам диагностирования высоковольтного оборудования [5–15].

Недостатками применяемых акустических метолов при контроле трансформаторов и другого высоковольтного оборудования является распознавание вида контролируемого дефекта и локация места его положения.

При помощи метода акустического контроля возможна регистрация частичных разрядов (ЧР), регистрация их количества в единицу времени, регистрация амплитуд, формы сигналов и других параметров. По каждому событию возможен визуальный анализ, подтверждающий наличие именно ЧР и их параметров. Кроме того по разности времени прихода сигналов к датчикам акустической антенны, установленных на корпусе трансформатора, возможно установление координат предполагаемого места возникновения ЧР.

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Для устранения указанных выше недостатков было предложено использование устройства имитации дефектов в маслонапоненном оборудовании [1]. При использовании устройства имитации дефектов в методике акустического контроля измерения параметров акустических сигналов выполняются в одинаковых условиях на имитаторе и контролируемом оборудовании. Снижаются дополнительные погрешности, вызываемые влиянием окружающей среды и возможные изменения коэффициентов усиления измерительного тракта в различные интервалы времени при проведении контроля.

Структурная схема устройства имитации дефектов представлена на
Рис. 1.

 

Рис. 1. Структурная схема устройства имитации дефектов. БП – блок питания; ЭК – электронный коммутатор; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ВТ – высоковольтный трансформатор; СЦАД – система цифровая акустико-эмиссионная диагностическая; П – преобразователь акустический; ЭР – электрический разрядник; БМ – бак маслонаполненный.

 

Устройство вырабатывает высоковольтные импульсы, имитирующие различные дефекты изоляции высоковольтных трансформаторов. Электронный коммутатор (ЭК) подает на высоковольтный трансформатор (ВТ) постоянное напряжение с задержкой, формируемой конденсатором в его составе. На электрический разрядник (ЭР) поступают высоковольтные импульсы с частотой, вырабатываемой генератором тактовых импульсов (ГТИ) в интервале от 0 до 10 кГц. Электрический разрядник может работать в различных средах – воздух или трансформаторное масло.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На Рис. 2 показана схема расположения электрического разрядника в
масляном баке. Для дозирования мощности разряда выполнялось регулирование постоянного напряжения БП и расстояние между электродами ЭР – ∆n при помощи регулирующего механизма на кронштейне 4.

 

Рис. 2. Схема расположения электрического разрядника в масляном баке. 1 – изолятор; 2, 3 – электроды; 4 – кронштейн; 5 – корпус маслонаполненного бака; 6 – трансформаторное масло; 7 – преобразователь акустический.

 

Корпус имитатора дефектов выполнен из стали и к нему подключен один из электродов разрядника ЭР и нулевой потенциал БП. Колебания звуковой волны воспринимают четыре акустических преобразователя П, представляющих собой акустическую антенну.

Схема расположения преобразователей акустических и электрического разрядника на верхней крышке устройства приведена на Рис. 3.

На Рис. 3 приведены следующие параметры устройства: L0=8 см – расстояние от акустического преобразователя АП0 до электрического разрядника; L1 =18 см – расстояние от акустического преобразователя П1 до электрического разрядника; L2=28 см – расстояние от акустического преобразователя АП2 до электрического разрядника; L3=23 см – расстояние от акустического преобразователя П3 до электрического разрядника.

 

Рис. 3. Схема расположения преобразователей акустических и электрического разрядника

 

Рис. 4. Сигналы от четырех акустических преобразователей

 

Акустические преобразователи АП0 – АП3 располагали на верхней крышке устройства имитации дефектов на различном расстоянии L0L3 от ЭР. При помощи системы акустической типа СЦАД-16 были зарегистрированы импульсы различной мощности при различной частоте следования, представленные на Рис. 4–6 .

На Рис. 4 показаны сигналы от четырех АП. Сигнал представлен двумя областями: высокочастотный импульс 1 при возникновении электрического разряда и низкочастотные колебания корпуса отраженных волн – 2. Из рисунка так же хорошо видна разность времен прихода (РВП)
Т0 – Т3 для преобразователей с разными координатами L0 L3. При этом изменяются мощность электрического разряда, имитирующего дефект. Электрические разряды пропадают при выходном напряжении БП U = 3 В и усиливаются до максимального значения при Uп  = 15 В.

На Рис. 5–6 показаны сигналы, различной мощности, сформированные при изменении выходного напряжения на БП.

 

Рис. 5. Сигнал от акустического преобразователя (U = 6 В; f = 50Гц; kу = 20; отсч. АЦП = 2024; Tк = 1012 мкс)

 

Рис. 6. Сигнал от акустического преобразователя (U = 12 В; f = 50Гц; kу = 20; отсч. АЦП = 2024; Tк = 1012 мкс)

 

Мощность импульса, ограниченного временным окном T = 60 мкс определялась по формуле:

 

P=1TOTu2(t)dt (1)

 

Число отсчетов АЦП для указанного окна составляло 120 ед.

Для двух сигналов приведенных на Рис. 5, 6 были получены значения P6 = 26,9 ед.; P12 = 62,8 ед. соответственно. Таким образом, можно сделать вывод, что эти параметры можно использовать для оценки мощности разрядов диагностируемого оборудования.

 

Рис. 7. Временной сигнал акустического импульса и его спектр (U = 12 В; f = 100Гц; kу = 20; отсч. АЦП = 2024; Tк = 1023 мкс)

 

Совместное использование имитатора дефектов со средствами контроля позволит с большей достоверностью распознавать тип дефекта и его мощность.

 

Таблица. Измеренные параметры акустических сигналов

Напряжение U, В

Частота
следования эл. имп.
F, Гц

Размах амплитуд, ед.

Средняя частота акуст. импульсов
fср, кГц

Мощность импульса
P, ед.

3

50

86

217

12,1

6

149

223

26,9

9

283

209

43,3

12

414

201

62,8

3

100

94

325

16,7

6

168

313

30,1

9

502

218

82,4

12

747

207

103,2

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Приведена информация по разработке и экспериментальным исследованиям устройства имитации дефектов изоляции высоковольтных трансформаторов. Показаны осциллограммы с формой импульсов для различной мощности электрических разрядов. Приведены количественные значения сигналов, измеренные акустическим методом, имитирующие дефекты с различной мощностью.

ВЫВОДЫ

Применение представленного устройства позволит сопоставлять сигналы, измеренные на высоковольтном оборудовании с сигналами имитатора, что позволит повысить достоверность контроля и принятия правильных решений об их техническом состоянии.

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

Vasiliy T. Cheremisin

Omsk State Transport University (OSTU)

Email: eps@omgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-4576-2223
SPIN-code: 7843-0765

Russian Federation, 644046, Omsk, pr. Marksa, 35

Заведующий кафедрой "Подвижной состав электрических железных дорог"

Andrey A. Kuznetsov

Omsk State Transport University (OSTU)

Email: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1815-4679
SPIN-code: 5259-0531

Russian Federation, 644046, Omsk, pr. Marksa, 35

Doctor of Technical Science, professor

Maria A. Volchanina

Omsk State Transport University (OSTU)

Author for correspondence.
Email: kuznetcova994@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1815-4679
SPIN-code: 2130-4637

Russian Federation, 644046, Omsk, pr. Marksa, 35

PhD student

Anton V. Gorlov

Omsk State Transport University (OSTU)

Email: anton.gorlov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8413-6612

Russian Federation, 644046, Omsk, pr. Marksa, 35

PhD student

References

  1. Кузнецов А.А., Кузьменко А.Ю., Кузнецова М.А., Симаков А.В. Определение пороговых значений при диагностировании изоляции высоковольтного оборудования методами регистрации частичных разрядов. // Омский научный вестник. – 2019. – №2(164). – С. 30–35. [Kuznetsov AA, Kuzmenko AYu., Kuznetsova MA, Simakov AV. Opredelenie porogovih znachenii pri diagnostirovanii izoliacii visokovoltnogo oborudovaniya metodami registracii chastichnih razriadov. Omskii nauchiy vestnik, 2019;2(164):30-35. (In Russ.)]. Доступно по: http://vestnik.omgtu.ru/images/stories/arhiv/2019/pmt/2_164_2019/30-35.pdf. Ссылка активна на: 07.12.2020.
  2. Taha IBM, Dessouky SS, Ghaly RNR, Ghoneim SSM. Enhanced partial discharge location determination for transformer insulating oils considering allocations and uncertainties of acoustic measurements. Alexandria Engineering Journal; 2020, 12 p. [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016820304282.
  3. МУ 1.3.3.99.0038-2009 Диагностика силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и их вводов. Методические указания ОАО «Концерна Росэнергоатом» № 126, 2009. – 73 с. [Diagnostika silovykh transformatorov, avtotransformatorov, shuntiruiushchikh reaktorov i ikh vvodov. Metodicheskie ukazaniia OAO “Kontserna Rosenergoatom”. 2009:126:73 (In Russ.)]. https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293724/4293724794.pdf
  4. Markalous SM, Tenbohlen S, Feser K. Detection and location of partial discharges in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2008;15:1576-1583 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/4712660.
  5. Шахнин В.А., Чебрякова Ю.С., Мироненко Я.В. Статистические характеристики частичных разрядов как диагностические признаки состояния изоляции высоковольтного оборудования // Контроль. Диагностика. – 2015. – № 2. – С. 59–65. [Shakhnin VA, Chebryakova YuS, Mironenko YaV. Statisticheskie harakteristiki chastichnih razriadov kak diagnosticheskie priznaki sostoyaniay izoliacii visokovoltnogo oborudovaniya: Kontrol. Diagnostika, 2015; 2: 59-65. (In Russ)]. Доступно по: http://www.td-j.ru/index.php/archive/529-059-065/. Ссылка активна на: 07.12.2020.
  6. Strachan SM, Rudd S, McArthur SDJ, et al. Knowledge-based diagnosis of partial discharges in power transformers. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2008;15:259-268 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://www.researchgate.net/publication/3341015_Knowledge-based_diagnosis_of_partial_discharges_in_power_transformers.
  7. Вдовико В.П. Характеристики частичных разрядов и их применение в оценке качества электрической изоляции высоковольтного оборудования // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2005. – № 5. – С. 23–26. [Vdoviko VP. Kharakteristiki chastichnykh razryadov i ikh primenenie v otsenke kachestva elektricheskoi izolyatsii vysokovoltnogo oborudovaniya. Elektro. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskaya promyshlennost, 2005;5:23-26. (In Russ.)]. Доступно по: https://readera.org/read/142173958. Ссылка активна на: 07.12.2020.
  8. Ермаков Е.Г. Методика измерения частичных разрядов в изоляции силовых трансформаторов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2009. – № 2(78). – С. 47–52. [Ermakov EG. Metodika izmereniya chastichnykh razryadov v izolyatsii silovykh transformatorov. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta, 2009;2(78):47-52. (In Russ.)]. Доступно по: https://engtech.spbstu.ru/userfiles/files/volume/N2_78_2009.PDF Ссылка активна на: 07.12.2020.
  9. Максудов Д.В., Федосов Е.М. Методы селекции сигналов частичных разрядов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2009. – № 2 (12). – С. 138–143. [Maksudov DV, Fedosov EM. Metody selektsii signalov chastichnykh razryadov. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2009;2(12):138-143. (In Russ.)]. Доступно по: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/1241/1078. Ссылка активна на: 07.12.2020.
  10. Lopez-Roldan J, Tang T, Gaskin M. Optimisation of a sensor for onsite detection of partial discharges in power transformers by the UHF method. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation; 2008;15:1634-1639 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/4712667.
  11. Карандаев А.С., Евдокимов С.А., Девятов Д.Х., и др. Диагностирование силовых трансформаторов методом акустической локации частичных разрядов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2012. – №1(37). – С. 105–108. [Karandaev AS, Evdokimov SA, Devyatov DH., et al. Diagnostirovanie silovykh transformatorov metodom akusticheskoi lokatsii chastichnykh razriadov. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova, 2012; 1(37): 105-108. (In Russ.)]. Доступно по: http://vestnik.magtu.ru/images/data_base/2012_1/%D0%92%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA_2012_1_%D1%81_105-108.pdf Ссылка активна на: 07.12.2020.
  12. Фазуллин С.Р. Диагностика силовых трансформаторов методом измерения частичных разрядов // Теория и практика высоких технологий в промышленности. Сборник статей международной научно-практической конференции. – 2017. – С. 96–98. [Fazullin SR. Diagnostika silovykh transformatorov metodom izmereniia chastichnykh razriadov. Teoriia i praktika vysokikh tekhnologii v promyshlennosti. Sbornik statei mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 2017:96-98. (In Russ.)]. Доступно по: Ссылка активна на: https://docplayer.ru/78608179-Teoriya-i-praktika-vysokih-tehnologiy-v-promyshlennosti.html 07.12.2020.
  13. Bartnikas R. Partial discharges their mechanism, detection and measurement. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2002;9:763-808 [Internet]. [cited 2020 Dec 07]. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/1038663
  14. Поляков Д.А., Шамганов Э.Б., Никитин К.И., Терещенко Н.А. Анализ эффективности регистрации частичных разрядов с использованием индуктивных и емкостных датчиков // Промышленная энергетика. – 2019. – № 12. – С. 30 – 35. [Polyakov DA, Shamganov EB, Nikitin KI, Tereshchenko NA. Analiz effektivnosti registratsii chastichnykh razriadov s ispolzovaniem induktivnykh i emkostnykh datchikov. Promyshlennaia energetika, 2019;12:30-35. (In Russ.)]. Доступно по: http://www.promen.energy-journals.ru/index.php/PROMEN/article/view/1321. Ссылка активна на: 07.12.2020.
  15. Давиденко И.В., Овчинников К.В. Идентификация дефектов трансформаторов по анализу газов, растворенных в масле // Электротехника. – 2019. – № 4. – С. 48–54. [Davidenko IV, Ovchinnikov KV. Identifikatsiia defektov transformatorov po analizu gazov, rastvorennykh v masle. Elektrotekhnika, 2019;4:48-54. (In Russ.)]. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37246280. Ссылка активна на: 07.12.2020.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure: 1. Block diagram of a device for imitating defects. BP - power supply unit; EC - electronic switch; GTI - clock pulse generator; VT - high voltage transformer; SDSAD - digital acoustic emission diagnostic system; P - acoustic transducer; ER - electric spark gap; BM - oil-filled tank.

Download (23KB) Indexing metadata
2.
Figure: 2. Layout of the electric spark gap in the oil tank. 1 - insulator; 2, 3 - electrodes; 4 - bracket; 5 - body of the oil-filled tank; 6 - transformer oil; 7 - acoustic transducer.

Download (75KB) Indexing metadata
3.
Figure: 3. Layout of transducers of acoustic and electric spark gap

Download (55KB) Indexing metadata
4.
Figure: 4. Signals from four acoustic transducers

Download (945KB) Indexing metadata
5.
Figure: 5. Signal from the acoustic transducer (U = 6 V; f = 50Hz; ku = 20; ADC count = 2024; Tc = 1012 μs)

Download (312KB) Indexing metadata
6.
Figure: 6. Signal from the acoustic transducer (U = 12V; f = 50Hz; ku = 20; ADC count = 2024; Tc = 1012 μs)

Download (141KB) Indexing metadata
7.
Figure: 7. Time signal of the acoustic pulse and its spectrum (U = 12V; f = 100Hz; ku = 20; ADC readout = 2024; Tc = 1023 μs)

Download (174KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 10

PDF (Russian) - 2

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Cheremisin V.T., Kuznetsov A.A., Volchanina M.A., Gorlov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies