Вопросы оценки множественных частичных разрядов в высоковольтном оборудовании

Page 1

Page 2

108

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Вопросы оценки множественных
частичных разрядов
в высоко вольтном оборудовании

УДК 621.31

Предметом

обсуждения

являются

методологические

аспекты

исследования

частич

ных

разрядов

(

ЧР

)

высоковольтном

оборудовании

проблема

множественных

ЧР

При

осмыс

ливании

сложной

картины

ЧР

возникает

вопрос

количестве

источников

ЧР

инициирующих

эту

сложную

картину

Национальный

стандарт

РФ

ГОСТ

55191-2012,

так

же

как

международный

стандарт

МЭК

60270:2000,

декларируя

методы

измерений

частичных

разрядов

игнорируют

вопрос

об

источниках

ЧР

как

потенциальных

дефектах

Рассмотрены

вопросы

генерирования

последовательности

ЧР

источником

Ставится

решается

задача

различения

множества

дефектов

изоляции

на

основе

множества

ЧР

порожденных

этими

дефектами

Предлагается

разработать

предложения

поправкам

упомянутым

стандартам

ГОСТ

МЭК

Киншт

д.т.н., профессор,

г.н.с. Института автоматики

и процессов управления

ДВО РАН

Борисов

д.т.н., ст.н.с., заведующий

лабораторией Института

лазерной физики СО РАН

Петрунько

к.т.н., ст.н.с. Института

автоматики и процессов

управления ДВО РАН

Ключевые

слова

высоковольтное обору-

дование, частичные раз-

ряды (ЧР), множествен-

ные ЧР, источники ЧР,

интегральная картина

ЧР, ГОСТ

НОРМАТИВНАЯ

ФОРМУЛИРОВКА

ЧАСТИЧНЫХ

РАЗРЯДОВ

Частичные разряды можно рассматри-

вать с нескольких точек зрения: они из-

учаются достаточно давно как электро-

физический феномен, как техническое

явление и как свойство потенциальных

дефектов в изоляции высоковольт-

ного оборудования (ВВО). Состояние

изоляции ВВО связано с наличием,

интенсивностью и распределением

частичных электрических разрядов,

возникающих как при его нормальной

работе, так и при деградации изоляции

и других конструктивных элементов.

Несмотря на принципиальную яс-

ность электрофизики этого явления,

в их исследовании до сих пор много не-

ясных мест и противоречий [1, 2]. Вста-

ет вопрос о том, каков набор основных

свойств ЧР, необходимый (и достаточ-

ный, если строго говорить) для оцен-

ки их опасности с точки зрения пред-

упреждения выхода изоляции из зоны

работоспособности и наступления ава-

рии. Достаточно долгое время главным

критерием, по которому оценивался

ЧР, был «кажущийся заряд». Этот кри-

терий до сих пор превалирует в прак-

тике оценки работоспособности изоля-

ции ВВО. Обратимся к Национальному

стандарту ГОСТ Р 55191-2012 [3] и со-

ответствующему

Международному

стандарту МЭК 60270:2000 [4] (и со-

ответственно, Британскому стандарту

[5]), которые декларируют общие прин-

ципы измерений частичного разряда

в составе высоковольтных испытаний,

где «кажущийся заряд» считается глав-

ным нормативным параметром.

Модель кажущегося заряда соз-

дает иллюзию технической простоты

и правильности, основываясь на эк-

вивалентной схеме с парой конденса-

торов. Она фактически полагается на

предположение об однородности элек-

трического поля, в котором находит-

ся малая неоднородность (пузырек).

Естественно, что местоположение, то

есть координаты этой неоднородности,

находящейся в однородном электри-

ческом поле, не оказывают влияния

на внешние проявления возникающего

в нем ЧР.

Можно сказать, что методы диаг-

ностики, основанные на «кажущемся

заряде», в простых случаях удовлет-

воряют потребности практики. Однако

специалисты констатируют, что в об-

ласти интерпретации результатов на-

блюдения ЧР до сих пор нет достаточ-

ной ясности. Предлагаемый ГОСТами

комплект понятий не позволяет ставить

и решать целый ряд задач, связанных

с множественностью и разновременно-

стью ЧР.

МНОЖЕСТВО

ЧР

МНОЖЕСТВО

ИСТОЧНИКОВ

ЧР

Итак, целью исследования ЧР явля-

ется оценка технического состояния

оборудования, то есть поиск источни-

ков ЧР, являющихся, как минимум, по-

тенциальными дефектами, и оценка их

опасности с точки зрения дальнейшей

эксплуатации оборудования. Специ-

ально обратим внимание, что выра-

жение «источник ЧР» (или его эквива-

лент) вообще не встречается в текстах

Page 3

109

ГОСТа и МЭК. Существуют выражения «источник на-

пряжения», «источники ошибок», «источники помех»,

но не «источник ЧР» (лишь одно упоминание: «влаж-

ность и загрязнение изолирующих поверхностей мо-

гут стать источником частичных разрядов»). Понятие

«ЧР» и «дефект» в некотором смысле синонимичны,

когда речь идет о единственном ЧР [6]. Когда же (по-

тенциальных) дефектов несколько (или много), их

месторасположение различно, эти понятия необхо-

димо четко различить.

Изображение интегральной картины ЧР обычно

представляется трехмерной функцией множества

импульсов ЧР в координатах «время — кажущийся

заряд — частота повторения импульсов» или дву-

мерным цветным изображением.

Используются различные интерпретации этой

картины, чтобы получить некоторые осмысленные

предположения об источниках ЧР или количествен-

ных оценках опасностей этих явлений. Если в каче-

стве основного критерия опасности (или качества

изоляции) предполагается максимум импульса сре-

ди всех ЧР, то здесь неявно предполагается, что ис-

точников ЧР много, но все они несущественны по

сравнению с максимальным. Если же все множество

кажущихся зарядов интегрируется, то неявно пред-

полагается, что все они порождены одним дефектом.

А что же имеет место на самом деле?

Такая задача может быть кратко сформулирова-

на следующей парой вопросов. Сколько всего ЧР

импульсов? И сколько всего ЧР-источников отражает

эта интегральная картина? Например, пусть в тече-

ние периода рабочего напряжения выявлена серия

(примерно) одинаковых ЧР. Возникает вопрос, соот-

ветствуют ли все эти ЧР множеству малых включе-

ний, рассеянных в объеме изоляции, либо происхо-

дят в единственном развитом локальном включении.

В обоих случаях кажущиеся заряды могут быть эк-

вивалентны, однако если все ЧР происходят в един-

ственном включении, развитие разрядных процессов

гораздо более опасно и вероятность выхода обору-

дования из строя значительно выше. Решение такой

простейшей задачи представляется ключом для про-

блемы анализа сложной интегральной картины ЧР.

Вместе с тем вопрос о количестве реальных де-

фектов в изоляции и об опасности каждого из них до

сих пор не отражен в упомянутых ГОСТах.

ПАРАМЕТРЫ

ПРОЦЕССА

ЧР

ЕДИНИЧНОМ

ДЕФЕКТЕ

Переход от классической модели с единичным ка-

жущимся зарядом к множеству потенциальных ЧР

требует сложной формализации электрической схе-

мы замещения. Рассмотрим один период релакса-

ционного процесса возникновения ЧР в единичном

дефекте (рисунок 1).

Введем в рассмотрение напряжение на дефекте

(

) с принужденной составляющей

пр

(

) =

sin



напряжение зажигания ЧР

, напряжение погасания

ЧР

, и начальное условие процесса

. Считаем

процесс ЧР периодическим [7]. Ток ЧР представляет

собой серию экспоненциальных импульсов, одно-

значно связанную с релаксационными скачками на-

пряжения

(

). Амплитуды импульсов «…невозможно

измерить непосредственно» [3], п. 3.1.1). Имеется

реальная техническая возможность достаточно точ-

но измерять моменты времени (

, …) возникно-

вения импульсов ЧР, привязав их к фазе рабочего

напряжения. Именно совокупность этих моментов

времени несет наиболее достоверную информацию

обо всем процессе. Анализ показывает однозначную

связь между набором «энергетических» параметров

(

) и множеством моментов времени (

, …) серии ЧР (рисунок 1). Без потери общности,

приняв в качестве базисной величину напряжения

зажигания

, возможно перейти к тройке

(

*) = (

)

независимых нормированных энергетических пара-

метров (для краткости, далее верхний индекс будем

опускать). Именно тройка параметров (

)

задает серию ЧР на множестве моментов времени

(

, …). Нетрудно видеть, что длина этой серии за

полупериод рабочего напряжения имеет порядок

0,5 ≈ (

–

)/(

–

Проиллюстрируем влияние энергетических параме-

тров на вид серии ЧР, проведя математическое моде-

лирование для конкретных численных параметров. Ре-

зультаты моделирования сведем воедино на рисунке 2.

Моделирование производилось на одном периоде

рабочего напряжения с дискретностью 10

точек на

период. При значении параметров (

) = (1,2;

Рис

. 1.

Обозначение

параметров

релаксационного

про

цесса

ЧР

Рис

. 2.

Моделирование

серий

ЧР

чр

(

)

для

различ

ных

значений

энергетических

параметров

№

2 (53) 2019

Page 4

110

0,5; 0,3) за период происходит 4 ЧР (что соответ-

ствует рисунку 1); этот вариант примем за исходный.

Увеличив принужденное напряжение до 1,5 — (

) = (1,5; 0,5; 0,8), получаем 6 ЧР за период. На

начальное условие пока внимания не обращаем.

Повышение напряжения погасания до 0,8 — (

) = (1,2, 0,8, 0,3) также приводит к увеличению

серии ЧР до 6. Обратимся к влиянию начального

усло вия процесса. Изменение начального условия

по сравнению с исходным (

) = (1,2; 0,5;

0,5) приводит к нелинейному сдвигу всей серии ЧР

во времени. Здесь же отметим, что относительно

начальных условий образования ЧР пока никаких

определенных заключений сделать не удается, это

величина случайная, однако пренебрегать ею нель-

зя. Наконец, если одновременно увеличить и ампли-

туду принужденного напряжения, и напряжение пога-

сания ЧР (

) = (1,5; 0,8; 0,7), то это приводит

к мультипликативному увеличению серии ЧР.

В первых трех параметрах косвенно проявляют

себя размер включения и его форма, геометриче-

ские координаты, структура рабочего поля в задан-

ной точке активной области высоковольтного устрой-

ства, диэлектрические свойства основной изоляции

и включения, поляризационные параметры изоля-

ции, а также свойства вольтамперной характеристи-

ки частичного разряда.

Можно показать, что если принять максимальную

рабочую напряженность в масле равной 60 кВ/см,

пробивную напряженность в газовом пузырьке рав-

ной 30 кВ/см, учесть, что максимальная принуж-

денная электрическая напряженность в газовом

дефекте (в соответствии с соотношениями диэлек-

трических проницаемостей масла и воздуха) увели-

чивается примерно в 1,2 раза, и оказывается, что

> 2. В соответствии с [8] соотношение между на-

пряжением погасания и напряжением зажигания ЧР

лежит в пределах

≈ (0,1…0,9), таким образом,

длина серии ЧР за полупериод рабочего напряжения

может оказаться порядка 10.

Описание процесса ЧР в аналитическом виде

и формализованный алгоритм даны в [9]. Анализируя

общий вид процесса (рисунок 1), в том числе с помо-

щью математического моделирования, можно оце-

нить влияние вариации параметров на вид серии ЧР.

Ясно, что независимые увеличения и принужденного

напряжения, и напряжения погасания приводят к уве-

личению количества ЧР в серии. Результаты модели-

рования процесса показывают, что в течение двух-

трех периодов процесс принимает периодический

характер. Изменение начального условия приводит

к нелинейному сдвигу всей серии ЧР во времени с ве-

роятностью потери или добавления единичного ЧР.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

ИНТЕГРАЛЬНОЙ

КАРТИНЫ

ЧР

Множество наблюдаемых ЧР обуславливается

как множественностью дефектов, так и возможно-

стью многократного повторения импульсов в виде

серии ЧР в каждом из них.

Общий вид множества (интегральной картины)

зарегистрированных ЧР предстает в виде суммы ЧР

от всего множества источников:

(

)

( )

( ),

1, ...,

рег

k k

h i t

∑

(1)

где коэффициенты

характеризуют затухание сиг-

налов от импульсов ЧР на пути распространения

«дефект — система мониторинга».

Каждый единичный

-й ЧР в серии

-го включения

возникает в момент времени

и создает экспонен-

циальный импульс тока с амплитудой

, продолжа-

ясь в течение времени



чр

. Ток ЧР представляет со-

бой сумму серий импульсов:

, (2)

где

— количество импульсов в

-й серии;



— посто-

янная времени разряда;

(

) — функция единичного

скачка; распределение моментов времени отдель-

ных импульсов ЧР представляет собой уникальную

серию импульсов

= (

, …),

= (1,…,

Поскольку дефект однозначно индивидуализиру-

ется, ассоциируясь с множеством параметров {

}, образование интегральной картины ЧР мож-

но иллюстрировать в виде, представленном на ри-

сунке 3.

При интерпретации интегральной картины ЧР

встает обратная задача: различать соответствие

подмножества ЧР отдельным источникам ЧР из пол-

ного множества регистрируемых.

Назовем множество моментов времени

= {

}

правильной

последовательностью, если она соот-

ветствует некоторому дефекту. Имея правильную

последовательность, состоящую, по крайней мере,

из 3-х элементарных ЧР, можно получить (в относи-

тельных величинах) значения энергетической коор-

динаты (близости ЧР к области максимальной напря-

женности)

, информацию о длительности горения

ЧР

, и вспомогательную величину — начальное ус-

ловие

. Однако случайному множеству единичных

ЧР не может быть поставлена в соответствие тройка

параметров {

Самое простое решение состоит в селекции им-

пульсов по амплитуде. Однако поскольку коэффи-

циенты затухания

неизвестны, то (особенно при

наличии шумов) амплитуды импульсов ЧР токов от

отдельных источников слабоинформативны. Остано-

вимся на анализе интегральной картины, представ-

ленной импульсами примерно равной амплитуды.

Итак, мы задаемся вопросом: сколько источников

ЧР отражает эта интегральная картина?

Рис

. 3.

Формирование

интегральной

картины

ЧР

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Page 5

111

Отвечая на этот вопрос, мы (во всяком случае —

теоретически) можем в качестве решения поставлен-

ной задачи устроить полный перебор точек (с под-

ходящей для точности дискретностью) в трехмерном

пространстве относительных энергетических пара-

метров {

} и получить дискретное множество

всех правильных последовательностей

= {

На изложенных принципах основан способ кон-

троля технического состояния элементов высоко-

вольтного оборудования [10], включающий в себя ре-

гистрацию интегральной картины ЧР в них в течение

не менее одного периода рабочего напряжения с точ-

ностью, обеспечивающей распознавание отдельных

ЧР и дальнейшую оценку количества и параметров

источников ЧР как потенциальных дефектов изоля-

ции элемента оборудования.

ПРИМЕР

Проиллюстрируем анализ интегральной картины ЧР,

полученной в результате компьютерного моделиро-

вания процесса. На рисунке 4 представлена первая

четверть периода ИК ЧР; точность расчетов по оси

времени составила 10

точек на период рабочего на-

пряжения Т.

Предположим для простоты, что априори за-

дано (или экспериментально получено) соотноше-

ние напряжений зажигания и погасания разряда:

= 0,75. Перечислим номера временных точек

импульсов ЧР:

{

}={125, 337, 555, 764, 785, 992, 1034, 1098, 1135,

1317, 1454, 1606, 1660, 1673, 2444, 2500} (

=1,…,16).

Простейший подход заключается в подготовке

базы данных серий ЧР (правильных множеств мо-

ментов времени). Посмотрим, какие имеются практи-

ческие возможности для такого перебора. Пусть ин-

тервал значений каждого из параметров (

)

может быть представлен 100 точками, так что всего

в этом трехмерном пространстве имеется 10

точек.

Составляется база данных из миллиона записей,

и просмотр позволяет решить задачу соответствия

или несоответствия произвольного множества мо-

ментов времени ЧР некоторому потенциальному де-

фекту.

В рассматриваемом примере, учитывая, что зна-

чение относительного напряжения погасания дано

(

= 0,75), была составлена малая база данных

серий ЧР для вариантов

= (1,1, …, 2,0) с шагом

0,1, и

= (0,1, …, 0,9) с шагом 0,1. Таким образом,

в прос том примере подготовим 90 «типовых» вари-

антов серий ЧР. Сравнивая поочередно эти записи

с имеющимся множеством

{

}, обнаруживаем, что

декомпозиция этого множества может быть произве-

дена, и результат предстанет в виде:

{

} =

= {1098, 1660} U

U { 992, 1454, 2500} U {764, 1135, 1606} U

U {125, 337, 555, 785, 1034, 1317, 1673, 2444}.

Рис

. 4.

Пример

множества

ЧР

на

первой

четверти

периода

рабочего

напряжения

№

2 (53) 2019

Page 6

112

ЛИТЕРАТУРА
1. Овсянников А.Г. Недомолвки в те-

ории и недостатки в практике ре-

гистрации частичных разрядов

/ Доклад на 12-й ежегодной кон-

ференции «Методы и средства

контроля изоляции высоковольт-

ного оборудования», г. Пермь,

26–27 февраля, 2015. URL: http://

dimrus.ru/conf2015.html.

2. Овсянников А.Г., Коробейников С.М.,

Вагин Д.В. Связь кажущегося и ис-

тинного зарядов частичных разря-

дов // Электричество, 2014, № 8.

С. 37–43.

3. ГОСТ

55191-2012

(МЭК

60270:2000). Национальный стан-

дарт РФ. Методы испытаний вы-

соким напряжением. Измерения

частичных разрядов. Росстандарт,

2012. Дата введения 2014-01-01.

4. International IEC Standard 60270 –

2000.High-voltage test techniques –

Partial discharge measurements.

5. British Standard. High-voltage test

techniques – Partial discharge

measurements BS EN 60270:2001

(IEC 60270:2000).

6. IEEE Guide for Partial Discharge

Testing of Shielded Power Cable

Systems in a Field Environment.

IEEE Power Engineering Society,

IEEE Std 400.3™-2006.

7. Киншт Н.В., Петрунько Н.Н. Об

оценке параметров частичных

разрядов // Электричество, 2016,

№ 7. С. 51–56.

8. Кучинский Г.С., Кизиветтер В.Е.,

Пинталь Ю.С. Изоляция установок

высокого напряжения: учебник для

вузов / Под ред. Г.С. Кучинского. М.:

Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

9. Kinsht N.V., Petrunko N.N. Some

Possibility of Constructing of the

PD Processes Quasi-Deterministic

Model / Proc. of the International

Conference on Condition Monitoring

and Diagnosis 2014 (CMD2014).

Jeju, Korea. 2014, September 21–

25, pp. 371–374.

10. Киншт Н.В., Петрунько Н.Н. Спо-

соб контроля технического состо-

яния элементов высоковольтного

оборудования / Патент № 2604578,

2016. Бюл. № 34.

REFERENCES
1. Ovsyannikov A.G.

Nedomolvki v teo-

rii i nedostatki v praktike registrat-
sii chastichnykh razryadov. Doklad
na 12-y ezhegodnoy konferentsii
"Metody i sredstva kontrolya izoly-
atsii vysokovoltnogo oborudovani-
ya", g. Perm, 26–27 fevralya, 2015

[Ovsyannikov A.G. Theoretical and

practical shortcomings in the partial

discharges registration. Report at the

12-th annual conference "Methods

and means of high-voltage equip-

ment isolation control", Perm, Febru-

ary 26–27, 2015]. Available at: http://

dimrus.ru/conf2015.html (accessed

March 26, 2019).

2. Ovsyannikov A.G., Korobeynikov

S.M., Vagin D.V. Connection of ap-

parent and true charges of partial

discharges.

Elektrotekhnika

[Rus-

sian Electrical Engineering], 2014,

no. 8, pp. 37–43. (in Russian)

3. State Standard 55191-2012 (IEC

60270:2000). High voltage test tech-

niques. Partial discharge measure-

ments. Moscow, Rosstandart Publ.,

2012. (in Russian)

4. International IEC Standard 60270 –

2000.High-voltage test techniques –

Partial discharge measurements.

5. British Standard. High-voltage test

tech niques – Partial discharge mea-

surements BS EN 60270:2001 (IEC

60270:2000).

6. IEEE Guide for Partial Discharge

Testing of Shielded Power Cable

Systems in a Field Environment.

IEEE Power Engineering Society,

IEEE Std 400.3™-2006.

7. Kinsht N.V., Petrunko N.N. On the

evaluation of partial discharges pa-

rameters.

Elektrichestvo

[Electricity],

2016, no.7, pp. 51-56. (In Russian)

8. Kuchinskiy G.S., Kizivetter V.E.,

Pintal Yu.S.

Izolyatsiya ustanovok

vysokogo napryazheniya: uchebnik
dlya vuzov

[Isolation of high voltage

installations]. Moscow, Energoato-

mizdat Publ., 1987. 368 p.

9. Kinsht N.V., Petrunko N.N. Some

Possibility of Constructing of the PD

Processes Quasi-Deterministic Mod-

el // Proc. of the International Con-

ference on Condition Monitoring and

Diagnosis 2014 (CMD2014). Jeju,

Korea. 2014, September 21-25. pp.

371–374.

10. Kinsht N.V., Petrunko N.N.

Sposob

kontrolya tekhnicheskogo sostoyani-
ya elementov vysokovoltnogo oboru-
dovaniya

[The method for controlling

technical condition of high-voltage

equipment elements]. Patent RF,

no. 2604578, 2016.

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

При этом для соответствующих серий определе-

ны расчетные параметры дефектов:

= 1,1,

= 2,

= 1,2,

= 3,

= 1,3,

= 3,

= 1,9,

= 8.

Обратим внимание, что здесь не приведены зна-

чения начальных условий

, …,

; они являются

случайными параметрами и не оказывают влияния

на содержательный результат решения задачи.

Итак, выявлено 4 источника ЧР, причем один из

них находится в зоне максимальной напряженности

электрического поля, инициирует 8 импульсов ЧР на

первой четверти периода рабочего напряжения из

зарегистрированных 16. Суммируя токи импульсов

ЧР отдельных источников, и руководствуясь квадра-

тичной оценкой, можно оценить опасности выявлен-

ных источников ЧР как:

= 2

: 3

: 8

= 4 : 9 : 9 : 64.

Очевидно, что 4-й дефект представляет наиболь-

шую опасность.

КРАТКИЕ

ВЫВОДЫ

В статье показаны методические принципы ана-

лиза интегральной картины ЧР, когда есть основа-

ния считать, что множество регистрируемых ЧР по-

рождено множеством источников — потенциальных

дефектов. Применение идеи кажущегося заряда

к случаю множественных зарядов представляется

непродуктивным. Выявление этих источников позво-

ляет с большей достоверностью оценивать реаль-

ную опасность множества зарегистрированных ЧР,

отраженных в их интегральной картине ЧР. Необхо-

димо разработать предложения (поправки) к стан-

дартам ГОСТ Р 55191-2012 и МЭК 60270:2000.

Данное исследование частично поддержано Гран-

том РФФИ № 17-08-00693.

Оригинал статьи: Вопросы оценки множественных частичных разрядов в высоковольтном оборудовании

Ключевые слова: высоковольтное оборудование, частичные разряды (ЧР), множественные ЧР, источники ЧР, интегральная картина ЧР, ГОСТ

Читать онлайн

Предметом обсуждения являются методологические аспекты исследования частичных разрядов (ЧР) в высоковольтном оборудовании и проблема множественных ЧР. При осмысливании сложной картины ЧР возникает вопрос о количестве источников ЧР, инициирующих эту сложную картину. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 55191-2012, так же как и международный стандарт МЭК 60270:2000, декларируя методы измерений частичных разрядов, игнорируют вопрос об источниках ЧР как потенциальных дефектах. Рассмотрены вопросы генерирования последовательности ЧР источником. Ставится и решается задача различения множества дефектов в изоляции на основе множества ЧР, порожденных этими дефектами. Предлагается разработать предложения к поправкам к упомянутым стандартам ГОСТ и МЭК.