Марка • Оборудование

ОМИКРОН:
Практика акустической локализации частичных разрядов в трансформаторах

Открыть в формате PDF

Александер Крэтге (Alexander Kraetge), д-р, руководитель отдела диагностики высоковольтного оборудования
Стефан Хёк (Stefan Hoek), дипломированный инженер, менеджер по продукции
OMICRON electronics GmbH

Частичные разряды (ЧР) – локальные электрические разряды, которые могут возникать в местах нарушения электрической изоляции и сокращать срок службы оборудования. В частности, в трансформаторах существует риск воспламенения изоляционного масла. В связи с этим крайне важно как можно скорее обнаруживать ЧР и устранять причину их появления.

Измерительная система PDL 650 компании OMICRON упрощает процесс локализации ЧР в силовых трансформаторах благодаря сочетанию метода электрических измерений ЧР с 3D-моделью испытуемого объекта.

Количественное измерение ЧР в соответствии со стандартом МЭК 60270 – процедура, принятая во всем мире для обеспечения качества трансформаторов. Этой процедуре подвергается как новое оборудование в ходе регулярных измерений на заводе-изготовителе, так и находящееся в эксплуатации.

Процедура включает в себя акустический способ локализации ЧР в трансформаторах [1]. Часть энергии, выделяемой при возникновении ЧР внутри или на поверхности изоляции, преобразуется в сферическую звуковую волну, скорость распространения которой зависит от состава передающей среды, ее температуры и частоты звуковых колебаний. Трасса, по которой распространяется волна, в значительной степени определяет количество энергии акустического сигнала, которое сможет достичь стенки бака и расположенных на ней пьезо-электрических датчиков.

Внутренние элементы трансформатора и материалы, из которых они выполнены, в разной степени ослабляют звук. Звуковой сигнал от источника ЧР может достигать датчика разными путями и с различной скоростью в результате отражения и рефракции. В итоге возникновение ЧР может регистрироваться многократно одним и тем же датчиком из-за наложения сигналов, пришедших по различным трассам.

Поскольку точная трасса распространения сигналов неизвестна, невозможно на основании лишь амплитуды и формы записанных сигналов сделать однозначный вывод о типе и масштабе неисправности, а также об интенсивности ЧР в месте повреждения.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ЧР НА ОСНОВЕ ВРЕМЕНИ ПРОХОЖДЕНИЯ СИГНАЛА

Система PDL 650 компании OMICRON позволяет выполнить локализацию источника(-ов) ЧР по значениям времени прохождения акустического сигнала, измеренным с помощью датчиков, закрепляемых на внешней стенке бака трансформатора (рис. 1). При этом используется значение скорости звука и данные о геометрическом расположении датчиков. Эти координаты вводятся в трехмерную модель трансформатора с помощью программного обеспечения PDL 650 [2].

Рис. 1. Принцип акустической локализации ЧР и система PDL 650. Датчики имеют цветовую маркировку и соответствующим образом отображаются в ПО

Поскольку скорость распространения зависит от конструкции трансформатора и положения датчика, необходимо использовать ее среднее значение. На практике принято применять значение, равное приблизительно 1400 м/с, основанное на скорости распространения звука в масле при температуре 25 °C. В эксплуатации, с учетом текущей температуры масла, могут быть использованы меньшие значения (например, 1200 м/с при 80 °C).

Важно точно определить время начала сигнала. Для этого необходимо проанализировать форму полученного сигнала. Как правило, достоверно определить начальную точку сигнала возможно лишь при достаточном качестве сигнала, поэтому датчик необходимо расположить так, чтобы обеспечить качественный контакт и тем самым снизить коэффициент помех и уменьшить затухание сигнала.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Время прохождения сигнала t1 датчика с электрическим триггером (рис. 2а) формирует сферу от центра размещения датчика. Каждая точка внутри бака на поверхности настоящей сферы может представлять местонахождение ЧР. Радиус сферы r рассчитывается, исходя из скорости звука и измеренного времени прохождения (обычно используется скорость распространения звука в масле).

При чисто акустическом измерении сигнал от одиночного датчика малоинформативен для локализации ЧР. Из-за затухания во внутренних конструкциях трансформатора можно лишь приблизительно связать амплитуду сигнала с пространственной близостью к месту повреждения. Только применение второго датчика позволяет использовать разновременность срабатывания Δt1,2. В этом случае источник ЧР может располагаться на гиперболической плоскости между датчиками (рис. 2б).

Рис. 2. Возможное положение источника ЧР для датчика с электрическим триггером (а) и для полностью акустического измерения с использованием двух датчиков (б)

Значимость результатов возрастает с увеличением количества датчиков. Так, в случае перекрытия двух сфер могут быть образованы круговые линии, ограничивающие возможное положение источника ЧР уже не плоскостью, а линией.

Описанная методика предполагает использование прямого акустического измерения с заранее известной скоростью распространения звука от источника ЧР до датчиков. Однако зачастую данная модель процессов, фактически происходящих внутри трансформатора, чрезмерно упрощена, что может приводить к погрешностям в локализации источников ЧР. Поэтому установившейся практикой стала итеративная методика подбора точек расположения датчиков на баке, цель которой – нахождение оптимального пути для прохождения звука от источника к датчикам.

Пример 1

Заводские приемочные испытания трансформатора 16 МВА выявили высокий уровень ЧР. Сравнение фаз показало, что источник ЧР находится на фазе С стороны высшего напряжения (ВН) (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма ЧР фазы С (100 кВ, 200 Гц)

Акустические датчики разместили вблизи данной обмотки (рис. 4а). Анализ времени прохождения акустического сигнала показал, что желтый и черный датчики регистрируют звуковые сигналы раньше, чем красный и синий, поэтому красный и синий датчики были перемещены (рис. 4б).

Рис. 4. Расположение датчиков

Первым звуковую волну регистрирует желтый датчик (рис. 5). Форма сигнала показывает относительно небольшое затухание и ни одного стального компонента на пути. Вероятно, этот датчик находится ближе всего к месту повреждения.

Рис. 5. Записанные акустические сигналы

Слабый сигнал на синем и красном датчиках, установленных на крышке, – результат их большей удаленности от источника ЧР и, следовательно, большего затухания сигнала. На черный датчик сигнал поступает по короткому стальному пути. Располагая такой информацией, можно проверять достоверность результатов локализации ЧР.

Трансформатор был открыт. При осмотре главной изоляции был обнаружен участок оголенного провода в непосредственной близости от места, определенного системой PDL 650. Неисправность устранили, и после повторного испытания трансформатор был передан в эксплуатацию.

Пример 2

Через несколько месяцев после начала эксплуатации трансформатора 500 МВА (рис. 6) анализ масла выявил существенное увеличение содержания водорода и метана. В проведенных затем измерениях по локализации ЧР с помощью PDL 650 не мог быть задействован электрический триггер.

Рис. 6. Испытуемое оборудование и программное моделирование поиска неисправности

Кроме этого, установленные на стенке бака акустические датчики не обеспечивали сигнал, достаточный для локализации. Можно предположить, что это было вызвано наличием магнитного экрана, установленного с внутренней стороны бака, который существенно ослаблял интенсивность звуковой волны. В связи с этим датчики установили на крышке. Результаты измерения, полученные при первой конфигурации датчиков, указывали, что неисправность находится в средней фазе около переключателя ответвлений или ввода на стороне 220 кВ (рис. 7а).

Рис. 7. Результаты измерения для первой (а) и второй (б) конфигурации датчиков

Датчики были переставлены ближе к этой области, что дало более четкие сигналы (рис. 7б) и показало локализацию повреждения. Для визуального осмотра трансформатора через смотровое отверстие в его баке понизили уровень масла. В результате были обнаружены и устранены различные по-вреждения на переключателе ответвлений.

Пример 3

В трансформаторе 500 МВА еще до заводских приемосдаточных испытаний был выявлен повышенный уровень частичных разрядов.

Проблемными были фазы А и В на стороне 230 кВ (рис. 8). Фазы А и В имели очень схожую картину ЧР, которая четко указывала на наличие в них неисправности. Необычным при этом было то, что неисправность в третьей фазе не обнаруживалась. Соответствующее представление по методу 3PARD (диаграмма соотношения амплитуд трех фаз) также ясно показывало, что ЧР присутствуют в фазах А и В.

Рис. 8. Сигналы ЧР по трем фазам НН при измерении на вводах и представление по методу 3PARD

Основываясь на этой информации, акустические датчики расположили на баке как можно ближе к обмоткам А и В на стороне низшего напряжения (НН). Оптимально расположить датчики не позволяли уже установленные радиаторы охлаждения. Тем не менее все четыре датчика принимали четкие сигналы.

Первоначальные сведения указывали на неисправность в области между выводами и переключателем ответвлений. Датчики переустановили ближе к месту возможной неисправности, а затем еще дважды перемещали для достижения оптимальной конфигурации. В итоге были определены координаты источника ЧР: высота 3,12 м от днища бака, 6,23 м от левого края бака и 0,27 м от стенки.

После вскрытия трансформатора по указанным координатам были найдены следы ЧР на изоляционной плите. Поврежденный участок находился на пересечении между фазными выводами и соответствующими ступенчатыми переключателями. Это совпало с результатами электрического измерения ЧР.

Весь процесс поиска места неисправности занял считанные часы. Погрешность локализации составила менее ± 0,1 м. Для активации системы определения местонахождения использовались входные сигналы в диапазоне от 60 пКл до 2 нКл.

Акустический метод локализации ЧР весьма эффективен для обнаружения повреждений изоляции трансформаторов. Электрический триггер, как правило, является преимуществом при использовании данной процедуры. Трехмерное моделирование трансформатора, выполняемое программным обеспечением PDL 650, существенно облегчает локализацию повреждения.

Литература

1. IEEE Guide for the Detection and Location of Acoustic Emissions from Partial Discharges in Oil-Immersed Power Transformers and Reactors / The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. New York, 2007. P. 57–127.
2. Hoek S.M., Kstner B., Kraetge A. Einführung in die akustische Teilentladungsmessung und -ortung mit dem PDL 650 / OMICRON electronics, Application Note ANP_12005_DEU, 2013. www.omicron.at

www.omicron.at