Трансформаторы источники электромагнитных излучений
Собственные электромагнитные излучения трансформатора при оценке его технического состояния
Н. Киншт, Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН; М. Кац, Дальневосточный государственный технический университет Н. Петрунько, ИАПУ ДВО РАН
Источником электромагнитных излучений являются электрические разряды, возникающие как при нормальной работе оборудования, так и при деградации изоляции и других конструктивных элементов. Техническое состояние (ТС) изоляции оборудования связано с наличием, интенсивностью и распределением частичных разрядов (ЧР) [1]. Время протекания тока ЧР оценивается порядком 10-8. 10-9 с, и, следовательно, верхняя часть диапазона частот собственных ЭМИ ВВ оборудования простирается вплоть до сантиметровых волн (порядка 1010Гц). Любая деформация высоковольтных конструктивных элементов может приводить к локальным возмущениям электромагнитного поля, приводящим, как правило, к возрастанию интенсивности ЧР.
В процессе старения изоляции в ней появляются новые газовые включения, а также изменяются ее электрофизические характеристики. Возникающие во включениях ЧР ускоряют процесс старения, и этот процесс развивается как цепная реакция. Эти явления, накладываясь друг на друга, сопровождаются местными температурными перегревами, приводящими лишь к повышению интенсивности ЧР. Электрофизические процессы в силовых контактах аналогичны. При этом общая мощность излучения увеличивается, а изменчивость спектра излучения возрастает.
Собственные ЭМИ трансформатора непосредственно зависят от основных факторов, определяющих качество изоляции:
— количества включений в изоляции, в которых происходят ЧР,
— количества ЧР во включениях,
— составляющих тангенса потерь в изоляции [2],
— интенсивности процессов деградации изоляции,
— концентрации растворенных газов.
Они связаны также с качеством контактов и другими механическими параметрами, такими, например, как качество механического крепления обмоток трансформаторов.
Ясно, что спектры излучений отдельных элементов оборудования в значительной степени индивидуальны; эта индивидуальность обусловлена случайностью распределения включений в объеме изоляции, конкретными электрофизическими характеристиками включений и изоляции в целом. Таким образом, собственные ЭМИ оборудования несут в себе ценную информацию о его ТС, причем эта информация передается в эфир спонтанно и непрерывно. Основной целью исследования высокочастотных ЭМИ в трансформаторах является раннее предупреждение о тенденциях в изменении их технического состояния при минимальном вмешательстве в технологический процесс передачи электрической энергии. Собственные ЭМИ трансформатора следует считать ценным диагностическим параметром, а регистрацию и анализ собственных ЭМИ трансформатора в широком диапазоне частот — перспективным методом оценки ТС оборудования на ранних стадиях процесса деградации.
Электромагнитные поля, связанные с частичными разрядами во внутренней изоляции, излучаются в окружающее пространство через элементы конструкции, изолированные от корпуса трансформатора. Это обусловлено тем, что корпус трансформатора заземлен и исполняет роль достаточно хорошего «экрана» для всех высокочастотных электромагнитных полей, исходящих от источников частичных разрядов, расположенных внутри бака трансформатора. Излучающими элементами конструкции трансформатора являются высоковольтные вводы как для источников электромагнитных полей от частичных разрядов, возникающих из-за внутренних дефектов изоляции вводов, так и для источников, находящихся внутри бака. Также в пространство будет излучаться и электромагнитное поле искровых разрядов от дефектов магнитопровода .
Для исследования характерных особенностей процесса излучения ЭМИ было произведено математическое моделирование распределения электромагнитного поля силового автотрансформатора 3. Трехмерная модель излучения ЭМИ исследовалась на примере автотрансформатора АОДЦТН 16700/500/220. В качестве излучающих элементов конструкции автотрансформатора приняты его высоковольтные вводы, представленные в качестве вертикальных вибраторов. Модель позволяет получить диаграммы пространственного распределения ЭМП при различных режимах и видах поляризации, рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Моделирование производилось итеративно по принципу — от простого к сложному. На начальном этапе расчета рассматривалось излучение каждого ввода в отдельности (высоковольтные вводы представляются в виде симметричных вибраторов). На следующем этапе принималось во внимание, что каждый высоковольтный ввод располагается на баке автотрансформатора (в этом случае получаются несимметричные вибраторы, расположенные на подставке). На заключительном этапе учитывалось взаимное переизлучение всех высоковольтных вводов автотрансформатора (случай связанных вибраторов). Результатом моделирования явились диаграммы направленности излучения автотрансформатора.
Определялись характеристики пространственного распределения высокочастотного электромагнитного поля автотрансформатора — диаграммы направленности излучения на различных частотах. Обратим внимание на то, что диаграммы направленности для различного вида поляризации электромагнитных волн могут значительно отличаться.
Точки на местности вблизи трансформатора, в которых будет располагаться аппаратура для регистрации ЭМИ, должны удовлетворять условиям технологической доступности и техники безопасности; их необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить достоверность и стабильность получаемой информации. Так, в соответствии с расположением трансформатора на подстанции, доступными для расположения антенны регистрирующего прибора можно назвать направления в интервале [1300, 2300]. В соответствии с этим результаты расчета диаграмм направленности можно свести в таблицу, используемую для выбора точки съемки.
Была произведена экспериментальная проверка адекватности проведенных расчетов. Подтверждена неравномерность диаграммы направленности в секторе доступности для расположения антенны.
Электромагнитный фон излучений на подстанции весьма разнообразен и занимает диапазон от десятков кГц до десятков ГГц в широком диапазоне амплитуды [6]. Возникает необходимость подавления мешающих, помеховых сигналов и выделение на их фоне сигнала собственного ЭМИ диагностируемого объекта, т.е. необходимость селекции сигналов. Различают несколько видов селекции сигналов: по направлению, по частоте, по амплитуде (мощности), по времени, по фазе, по виду поляризации и т.д.
Пространственная селекция основана на различии направления прихода полезного сигнала и помехи. Реализуется остронаправленными приемными антеннами. Ширина диаграммы направленности типовых применяемых антенн составляет 60 — 90°С.
Частотная селекция основана на различии в частоте сигнала и помехи. Для селекции сигналов электромагнитного излучения высоковольтного оборудования необходимо первоначально просмотреть весь спектр предполагаемого диапазона, в котором может находиться излучение от диагностируемого оборудования. Далее необходимо оценить основные максимумы спектра и выделить среди них наиболее полезные с информационной точки зрения. Затем необходимо выделить участки с наиболее интенсивной помехой и работой радио- и телевизионных станций, сотовых телефонов. После этого можно использовать узкополосные фильтры для селекции полезного сигнала — определение частоты помех, фона, работы передающих станций телевидения, радиовещания сотовой телефонной связи. Амплитудная избирательность основана на различии в амплитудах в месте приема полезного сигнала и помехи. В соответствии с реализацией этого принципа следует размещать антенну приемника в непосредственной близости от диагностируемого трансформатора, удовлетворяя условиям технологической доступности и техники безопасности
Избирательность по виду поляризации. Рассматривая оборудование, расположенное на площадке, в первом приближении можно отметить, что оно состоит из расположенных вертикально (высоковольтные вводы, шлейфы и т.п.) и горизонтально (провода линии электропередачи, изоляторы и т.п.) элементов высоковольтного энергетического оборудования. Собственные ЭМИ, излучаемые этими элементами, будут иметь соответственно горизонтальную или вертикальную поляризацию. Изменяя положение приемной направленной поляризованной антенны в пространстве, можно принимать излучения с различным видом поляризации. Развязка между излучениями с горизонтальной и вертикальной поляризацией составляет около 80-90Д6.
Пространственная избирательность предусматривает съем спектральных характеристик объекта с различных точек наблюдения. Позволяет путем сравнения (сравнительного наложения, взаимного вычитания или иных действий) спектральных характеристик определить наиболее характерные признаки’ (показатели) тестируемого объекта, в то время как шумовые сигналы в результате обработки результатов замеров отбрасываются.
Таким образом, при измерении собственных излучений диагностируемого оборудования предлагается:
— произвести оценку общей обстановки на ненаправленную штыревую антенну по всему частотному диапазону;
— путем анализа и повторных замеров по частотному, слуховому и визуальному каналам выявить явные мешающие сигналы, с тем, чтобы при дальнейшей работе их исключить;
— произвести обзор частотного диапазона на направленную антенну. При этом рекомендуется выбирать точку наблюдения таким образом, чтобы оптическая ось антенны была направлена на тестируемый объект и происходило некоторое увеличение амплитуды сигнала изучаемого объекта за счет направленных свойств антенны (ее коэффициента усиления). Точка наблюдения должна фиксироваться с тем, чтобы обеспечить сравнимость результатов, получаемых при повторных испытаниях.
Единичные частичные разряды в изоляции оборудования имеют широкий энергетический спектр и возбуждают электромагнитные излучения в широком диапазоне частот внутри бака трансформатора. Однако элементы конструкции — обмотки, ярма, изоляции в совокупности обладают резонансными свойствами, представляя собой высокодобротные колебательные цепи и теоретически преобразуют широкополосный спектр в полимодальный. Кроме того, нелинейные свойства материалов и элементов обуславливают появление гармоник высокого порядка. Наконец, элементы, излучающие ЭМИ, также обладают резонансными свойствами.
Излучение ЭМИ от источников, находящихся внутри ЭО, происходит через совокупность антенн, которые фильтруют спектр ЭМИ, образовавшихся внутри бака трансформатора, пропуская их сквозь собственные полосы пропускания. Кроме того, в этих полосах пропускания могут быть добавлены частоты, обусловленные дефектами в антеннах (например, вводах). Совокупность собственных частот, их гармонических составляющих, а также комбинационных частот как раз составляет индивидуальный портрет ТС конкретного устройства в частотной области. Таким образом, в конечном итоге, набор информативных частотных полос, доступных для диагностики, определяется частотными свойствами излучателей [7].
Здесь необходимо специально остановиться на том, какие элементы электрооборудования принимаются в качестве антенн. Во-первых, в модели излучения автотрансформатора, в качестве антенн принималось, что излучают ЭМИ вводы целиком, изолированные от заземленного металлического корпуса контролируемого трансформатора. Это не всегда может быть принято. Необходимо учитывать такую важную особенность конструкции высоковольтных вводов (по крайней мере, вводов класса напряжений 110кВ и выше), как проводящие уравнительные прокладки.
Также следует учесть излучающую способность шлейфов — соединений вводов с шинами. Система ввод — шлейф — шина представляет собой классическую антенну. Если идеальный шлейф представит из себя вертикальный провод, а идеальная шина — горизонтальный провод, то собственно излучающим элементом будет являться шлейф, а шина своей емкостью на землю будет обеспечивать протекание тока высокой частоты через шлейф. Высотой такой антенны следует разность высот присоединения концов шлейфа к электрооборудованию, и к шине. Токи высокой частоты, инициированные частичными разрядами и возникшие внутри заземленного металлического корпуса, поступают во вводы и замыкаются по путям: (ввод — емкость ввода — земля) или (ввод — шлейф соединения вводов ЭО с шинами — шины — емкость шлейфов и шин — земля). При этом энергия частично излучается как вводами, так и системой шлейфы -ш ины.
Итак, в качестве антенн электрооборудования, излучающих ЭМИ, следует рассматривать наружные вертикальные части вводов электрооборудования, выступающие за пределы проводящих прокладок вводов, уравнивающих распределение потенциала вдоль ввода. При отсутствии у ввода упомянутых прокладок — сами наружные вертикальные части вводов электрооборудования, выступающие за пределы металлического корпуса, считаются антеннами. Кроме того, в качестве антенн рассматриваются шлейфы — соединения вводов ЭО с шинами, распределяющими электроэнергию по подстанции [8].
Таким образом, при обработке результатов обследования трансформатора рассчитываются резонансные частоты и полосы пропускания излучателей, составляющие потенциальные информативные частотные полосы ЭМИ. Из них исключаются участки с наиболее интенсивными помехами различного происхождения (работа радио- и телевизионных станций, сотовых телефонов и др.) Данные о спектрах ЭМИ именно в этих последних информативных частотных полосах являются основой для оценки ТС трансформатора.
С 1997 года лабораторией электрофизики и электроэнергетики ИАПУ ДВО РАН ведутся работы по мониторингу собственных электромагнитных излучений трансформаторного оборудования класса 500, 220, 110кВ на объектах МЭС Востока ФСК «ЕЭС России», ЛУТЭКа , Зейской ГЭС и др., в том числе в контакте с Московским Электрозаводом [9 -12].
Методика диагностического обследования позволяет определить оборудование, требующее к себе внимания, а проведение серии последовательных испытаний — судить о динамике его ТС.
Анализ результатов обследований показывает, что обследования разового характера позволяют выявить оборудование с аномальными (по сравнению с аналогичным или однотипным оборудованием) характеристиками и уверенно ранжировать по уровню ТС. Динамика же развития интенсивности сигналов на отдельных частотах, энергия излучения в определенных диапазонах частот, характерные изменения формы сигналов с ростом числа источников ЭМИ и другие спектральные признаки диагностического мониторинга являются той информационной базой, по которой можно оценивать ТС высоковольтных установок. В качестве критерия ТС использовалось превышение энергии собственных ЭМИ над энергией общего фона (в диапазонах, не занятых телевизионными станциями и другими регулярными источниками ЭМИ).
Обследования ЭМИ трансформаторного оборудования проводились с помощью спектромонитора PROMAX в диапазонах частот 40-170 и 160-460МГц. По существу регистрируемые временные зависимости спектров представляют собой случайные процессы, которые с определенной уверенностью можно считать стационарными. Для оценки необходимого времени наблюдения процесса предварительно оценивается величины интервала времени Т , на котором спектр ЭМИ с достаточной достоверностью можно считать стационарным случайным процессом.
В зависимостях наблюдаемых спектров от времени можно зафиксировать некоторые закономерности. Так, как правило, спектры имеют явно выраженный полимодальный и волнообразный характер с периодом порядка нескольких (3. 12 и более) секунд. Можно предложить, по крайней мере, 2 гипотезы в объяснение этого факта. С одной стороны, не исключено, что он обусловлен разностью частот развертки прибора (50Гц) и реальной частотой сети. С другой стороны, нельзя исключить проявления медленной составляющей заряда изоляции в соответствующем релаксационном процессе. Здесь требуются дополнительные исследования; период сверхнизкочастотных колебаний спектра может оказаться весьма информативным параметром процессов ЧР.
Характерным для спектров зачастую является наличие отдельных (острых) пиков спектра, отражающих быстро возникающие и быстро затухающие высокодобротные колебания, которые могут возникать практически во всем диапазоне рассмотренных частот. Их интерпретация очевидна, и количество таких пиков, а также их величину можно считать информативными параметрами, хорошо коррелирующимися с общепринятыми представлениями о процессах ЧР. (Кстати, спектры, практически сплошь состоящие из таких пиков, были характерны для большинства трансформаторов тока IMB -550 на подстанции « Итатская »),
Еще одной регулярно наблюдаемой особенностью спектров собственных ЭМИ является «перемещение» во времени фрагментов спектра в направлении высоких частот. Авторам пока не удается построить математической модели электрофизического механизма такого явления.
Коснемся вопроса влияния метеоусловий на возможность проведения мониторинга. Очевидно, что проведение работ под рабочим напряжением при высокой влажности и осадках не представляется возможным. Однако специально отметим, что для проведения диагностических обследований при низких температурах ограничений нет. При этом общий вид наблюдаемых спектров остается неизменным. Так, в ноябре 2005г на Зейской ГЭС успешно производились обследования при дневной температуре -20 °С , что было бы недопустимо для большинства существующих регламентированных и широко распространенных методов.
В соответствии с общими принципами технической диагностики при решении задачи оценки ТС объекта большую важность имеет сбор и оценка значимости симптомов. Любые наблюдаемые в процессе диагностики свойства объекта одновременно должны отражать характерные свойства объектов, с другой стороны — быть вариабельными при изменении ТС конкретного объекта. Принятие реальных решений относительно ТС объектов оборудования должно производиться на основе комплексного анализа информации, полученного с помощью всех доступных методик. Вместе с тем последовательность применения различных методов определяется соотношениями между ожидаемой информативностью метода и затратами на его проведение.
Затраты на обследование собственных ЭМИ трансформаторов минимальны. Этот метод дает возможность оперативно под рабочим напряжением (в том числе в условиях низких температур) получить оперативную информацию об аномалиях в ТС отдельных единиц оборудования (по сравнению с однотипными), а также представлять основу для оценки динамики изменения ТС отдельной единицы оборудования.
1. Н.В. Киншт , М.А. Кац . Диагностика точечных источников электромагнитных шумов // Электричество, 1999, №4, с. 40-42.
2. Н.В. Киншт , М.А. Кац . К анализу переходного процесса в несовершенном диэлектрике с нелинейной неоднородностью. Электричество 2006, №11 с. 65-68.
3. Н.В. Киншт , Н.В. Силин и др. О способе контроля высоковольтного оборудования на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения. Промышленная энергетика, 2007, №5, с. 15-20.
4. М.Ю. Белушкин . Моделирование и регистрация электромагнитных полей электроэнергетического оборудования высоковольтных подстанций. Канд. диссертация. Владивосток:, 2004. с.145.
5. Н.В. Силин. Оценка технического состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля // Дисс . на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, 2009. — 295 с .
6. А.Н. Грязное , В.П. Говорухин, А.Д. Сигида , А.Д. Стефанюк . Принципы селекции сигналов электромагнитного излучения высоковольтного оборудования. Сб. статей «Проблемы и методы разработки и эксплуатации вооружения и военной техники ВМФ». Вып . 23. Владивосток: ТОВМИ, 2000.
7. Н.В. Киншт и др. Патент РФ на изобретение №2311652 от 10.04.2006 «Способ контроля технического состояния электроэнергетического оборудования».
8. Н.В. Киншт , Н.Н. Петрунько . Патент РФ на изобретение №2339960 от 10.04.2007 «Способ контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования».
9. М.Е. Алпатов, Д.Д. Загоскин, Н.В. Киншт , Н.Н. Петрунько , С.Ф. Тищенко Диагностика технического состояния высоковольтного оборудования на основе регистрации электромагнитных излучений // Электро , 2006, № 5, с.6-9
10. Nikolay V. Kinsht , Marat A. Katz, Natalia N. Petrun’ko Electromagnetic radiation of partial discharges in insulation of the HV devices IIIFAC Symposium on Power Plants & Power Systems Control 2003. Seoul, Korea. September 15-19, 2003. Vol. 1. P. 373-376
11. Nikolay V. Kinsht , Natalia N. Petrun’ko The Diagnostics of the Electromagnetic Radiation Sources on the HV Substations // Asia-Pacific Symposium on EMC & 19th Internathional Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility. May 19-22, 2008. Singapore. P297
12. Nikolay V. Kinsht , Natalia N. Petrun’ko The Experience of Inspection of a Technical Condition of the HV Equipment on Substations by a Method of Registration of the own Electromagnetic Radiations // International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD2008). 19-24.04.2008. Beijing. China. P.738- 740.
