научная статья по теме ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИЗЛУЧАЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИЗЛУЧАЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ»

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2008

УДК 621.313:47.05.15

© 2008 г. СИЛИН Н.В.

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИЗЛУЧАЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ*

Рассмотрены вопросы контроля и технического диагностирования высоковольтного электроэнергетического оборудования путем анализа спектрального состава излучаемого электромагнитного поля. Предложена модель для анализа излучающих свойств оборудования. Показано, что диагностическая информация содержится в информативных частотных полосах, определяемых размерами излучающих элементов конструкции. Приведен пример спектра электромагнитного поля силового автотрансформатора 500 кВ и рассмотрены возможные способы оценки технического состояния оборудования.

Введение. При создании систем контроля и технического диагностирования высоковольтного электроэнергетического оборудования (ВВЭО) повышенное внимание уделяется разработке способов получения и обработки массивов диагностической информации, необходимой и достаточной для организации ремонтно-эксплуатационно-го обслуживания оборудования по текущему техническому состоянию. Получение экономического эффекта от таких разработок связывается с эволюционным замещением методов, предусматривающих отключение основного оборудования, на контроль под рабочим напряжением. Внедрение таких систем контроля способствует обеспечению энергетической безопасности, реализации программы по продлению срока службы ВВЭО, выявлению дефектов на самой ранней стадии их появления и развития.

Для России вопросы контроля ВВЭО актуальны, так как от 20 до 50% оборудования проработало срок, превышающий нормативный. Замена морально и физически изношенного оборудования в связи с экономическими, организационными и техническими проблемами осуществляется темпами, существенно отстающими от темпов его старения [1].

Практически все действующие системы контроля ВВЭО имеют в составе методы испытаний под рабочим напряжением, использующие внешние проявления физических процессов, сопровождающих его работу. К ним относятся методы тепловизион-ного, акустического, оптического контроля. Параметры, контролируемые этими методами, позволяют выявлять дефекты или подтвердить их наличие по результатам других испытаний.

Электромагнитный контроль параметров излучаемого ВВЭО электромагнитного поля, позволяющий выявлять дефекты на самой ранней стадии их появления и развития, считается перспективным направлением, но требующим проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Факторами, сдерживающими разработку и внедрение методов контроля по электромагнитному излучению, были влияние на результаты измерений помех и неопределенность в выборе частотного диапазона. Достижения в области информационно-измерительных технологий и

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ 2006 г. Грант № 06-08-00508а.

математических средств анализа сигналов определили принципиальную возможность селекции сигналов и помех аппаратными и программными средствами. Новые возможности в области электромагнитного контроля появляются при анализе спектрального состава электромагнитного излучения [2-4].

В данной работе дано обоснование и показаны некоторые возможности диагностирования ВВЭО по спектральному составу излучаемого им электромагнитного поля вертикальной поляризации. Процедура оценки технического состояния состоит в регистрации и обработке спектров излучаемого оборудованием электромагнитного поля, вычислении интегральной мощности электромагнитного излучения в информативных частотных полосах, анализе полученных результатов для выдачи рекомендаций о своевременном проведении расширенной или комплексной диагностики.

Экспериментальное оборудование и методика измерений

Регистрация и обработка спектров внешнего электромагнитного поля вблизи ВВЭО на территории подстанций проводится с помощью оборудования, состоящего из стандартного высокочастотного приемника или анализатора спектра, направленной антенны и компьютера с программным обеспечением. В качестве направленной антенны можно использовать логопериодическую антенну с шириной диаграммы направленности 4560 градусов и равномерной частотной характеристикой. Полоса пропускания приемника (анализатора спектра) может составлять от 50 кГц до 1 МГц, чувствительность - единицы и десятки мкВ. При измерениях аппаратура располагается на таком расстоянии от контролируемого объекта, чтобы обеспечить требования электробезопасности. Установка антенны вертикальной поляризации на высоте 1,5-2 м над поверхностью земли позволяет получить наибольший уровень принимаемых сигналов. Для обеспечения возможности статистической обработки спектров время записи информации необходимо выбирать не менее 15 с при каждом измерении. Относительная статистическая ошибка измерений спектральных плотностей излучений вст в исследуемых частотных диапазонах составляет

рст = \iJTKf < 0,1,

где т - время усреднения; Af - селективность приемника.

Излучающие свойства ВВЭО

При моделировании излучающих свойств ВВЭО вертикальные части проводов г-х вводов напряжений, изолированные от заземленного металлического корпуса этого оборудования, рассматриваются как штыревые вибраторные антенны вертикальной поляризации с эквивалентными добротностями Qант й 3,5. Эти антенны излучают электромагнитные колебания на частотах, близких к значениям их резонансных частот (fp¡)n, Гц, определяемых соотношением [5]

% )п = ПС/(4Й;),

где г = 1, 2, ..., гтах - безразмерный порядковый номер ввода напряжения в оборудование; п = 1, 2, 3, ... - числа натурального ряда, определяющие номера рассматриваемых резонансов излучений, п = 1 - резонанс на первой гармонике, п = 2, 3, ... - резонансы на высших гармониках; с - скорость света, м/с; кг - высота (м) наружной вертикальной части провода г-го ввода напряжения, отсчитываемая от сечения входа данного провода через изолятор в заземленный металлический корпус электроэнергетического оборудования.

Излучающие антенны вместе с изолированными частями проводов, расположенных внутри металлического корпуса ВВЭО, можно рассматривать как резонансные колебательные системы высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) гене-

раторов квазигармонических колебаний, действующих на частотах, близких к резонансным частотам колебательных систем. При этом добротности колебательных систем, расположенных внутри металлического корпуса оборудования, могут существенно превосходить добротности излучающих антенн.

В роли возбуждающих токов рассматриваемых ВЧ и СВЧ-генераторов квазигармонических колебаний в ВВЭО выступают токи полевой и тепловой ионизации, возникающие в дефектных областях наружных и внутренних частей проводов г-х вводов напряжений в оборудование. Это могут быть токи искровых разрядов в наружной и внутренней изоляции, токи искрения в зажимных металлических контактах и пр. При длительной эксплуатации электроэнергетическое оборудование деградирует, дефекты в зажимных контактах и в изолирующих промежутках увеличиваются, полевая ионизация приобретает лавинный характер, интенсивности токов полевой ионизации растут, растет нагрев дефектных областей, и вступает в действие тепловая ионизация в искровых промежутках, сначала умеренная, а затем лавинная. Растут токи тепловой лавинной ионизации, нагрев дефектных областей увеличивается, и наступают тепловые пробои в областях наиболее дефектных искровых промежутков, сопровождающиеся разложением масляной изоляции, локальным выжиганием твердой изоляции и подплавлением металлических проводников интенсивными токами лавинной тепловой ионизации.

Интенсивности лавинных шумов в энергетических спектрах токов проводов вводов напряжений в электроэнергетическое оборудование увеличиваются с ростом числа дефектов, их размеров и локальных температур. Попадая в резонансные частотные полосы колебательных систем и антенн вертикальной поляризации, ВЧ и СВЧ лавинные шумы с равномерными спектрами излучаются в окружающее пространство в виде ВЧ и СВЧ квазигармонических электромагнитных колебаний вертикальной поляризации с частотами, близкими к резонансным частотам колебательных систем ВВЭО, т.е. лежащими внутри информативных (для диагностирования) частотных полос излучений антенн (А/рг)п, Гц,

(А/р1)и =

где 0г„ - эквивалентная добротность г-й антенны на резонансной частоте (/г)п.

Рост числа дефектов, связанных с перегревом токоведущих соединений, развитием искровых и дуговых разрядов в масле, нагревом изоляции и т.д., приводит к росту интенсивности лавинных шумов, следовательно, и к увеличению интенсивности и числа пиков ВЧ и СВЧ квазигармонических колебаний в энергетических спектрах излучений в пределах каждой из информативных частотных полос (А/р)п. Диагностические признаки спектров, именно, средние значения спектральных линий, интегральные мощности излучения, появление новых или рост уровней и изменение формы имеющихся пиков и т.д. могут быть использованы для оценки технического состояния оборудования.

Процедура контроля и ее обсуждение

На рис. 1 приведен типичный спектр электромагнитного поля, излучаемого силовым автотрансформатором (АТ) 500 кВ, измеренный с помощью широкополосного сканирующего приемника в диапазоне от 14 до 460 МГц.

Участки с высоким уровнем излучения, характерные для АТ данного типа, определяются излучающими свойствами пяти высоковольтных вводов: 1) 500 кВ высотой Н1 = 4,24 м; 2) 220 кВ высотой Н2 = 2,72 м; 3) заземления с вертикальной составляющей Н3 = 0,59 м; 4) и 5) 11 кВ (два ввода с вертикальной составляющей Н4 = Й5 = 0,44 м каждый). Этим размерам соответствуют следующие значения резонансных частот/р и информативных частотных полос А/р:/р1 = 17,7 МГц, А/р1 = 8 МГц,/р2 = 27,6 МГц, А/р2 = 10 МГц, 1р3 = 127 МГц, А/рз = 36 МГц, ^ = ^ = 170 МГц, / = / = 49 МГц.

Расчетные значения частотных полос позволяют сделать вывод, что регистрацию и анализ спектров электромагнитного излучения рассматриваемого силового АТ для

у дБ(Вт)Гц

-126 -142 -158 -174 -190

15,2 /р1 20,2 23,6 /р2 31,6 40,0

АТ-2 фаза А

V V ' _________V .

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком