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

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 L₀ – L₃ 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 U_п  = 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:

 

$P=\frac{1}{T}{\int }_O^T{u}^2\left(t\right)dt$ (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

Заведующий кафедрой "Подвижной состав электрических железных дорог"

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

Andrey A. Kuznetsov

Omsk State Transport University (OSTU)

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

Doctor of Technical Science, professor

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

Maria A. Volchanina

Omsk State Transport University (OSTU)

Author for correspondence.
Email: kuznetcova994@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3757-5580
SPIN-code: 2130-4637

PhD student

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

Anton V. Gorlov

Omsk State Transport University (OSTU)

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

PhD student

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

References

Supplementary files