Способ контроля характеристик частичных разрядов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля изоляции высоковольтного оборудования по характеристикам частичных разрядов (ЧР). Импульсы ЧР, возникающие при воздействии испытательным напряжением на объект контроля (ОК), дифференцируют с последующей высокочастотной фильтрацией, полученный сигнал усиливают и интегрируют, амплитудный спектр импульсов ЧР определяют из интегрального распределения амплитуд импульсов, полученных в результате интегрирования. Устройство для осуществления способа включает испытательный трансформатор для подачи испытательного напряжения на ОК 2, высоковольтный конденсатор 3, одной из обкладок которого является токоведущая жила ОК, фильтр 4 высоких частот, измерительный кабель 5 и регистрирующий прибор 6, содержащий широкополосный интегрирующий усилитель 7, компаратор 8, счетчик 9 импульсов и индикатор 10. Использование изобретения позволяет повысить чувствительность и помехозащищенность контроля. 2 с.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля изоляции высоковольтного оборудования по характеристикам частичных разрядов (ЧР) как при испытаниях в лабораторных условиях и на месте монтажа оборудования при подаче испытательного напряжения от постороннего источника, так и в эксплуатации под рабочим напряжением в условиях сильных электромагнитных помех.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ контроля, заключающийся в том, что на объект контроля (ОК) воздействуют испытательным напряжением промышленной частоты и регистрируют амплитудные спектры импульсов ЧР.

Устройство для осуществления способа содержит испытательный трансформатор, конденсатор, измерительный элемент (резистор), высокочастотный фильтр, усилитель и регистрирующий прибор.

Недостатками известного способа являются низкие чувствительность и помехозащищенность.

Цель изобретения - повышение чувствительности контроля характеристик ЧР и помехозащищенности от внешних гармонических и импульсных помех.

Сущность способа заключается в том, что импульсы ЧР, возникающие в ОК при воздействии испытательным напряжением, подвергают дифференцированию с последующей высокочастотной фильтрацией, полученный сигнал усиливают и интегрируют, амплитудный спектр импульсов ЧР определяют из интегрального распределения амплитуд импульсов, полученных в результате интегрирования.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эквивалентная схема замещения для расчета кажущегося заряда ЧР в изоляции ОК с сосредоточенными емкостями; на фиг.3 и 4 - кривые изменения во времени заряда и тока единичного ЧР соответственно; на фиг.5 - эквивалентная схема замещения для расчета кажущегося заряда ЧР в изоляции ОК в виде длинной линии; на фиг. 6 - 8 - сигналы ЧР на входе длинной линии, на ее выходе и после прохождения дифференцирующей цепочки С_с ^. R_ик соответственно; на фиг.9-13 - сигналы в различных точках тракта передачи сигнала в устройстве для контроля характеристик ЧР.

Устройство содержит испытательный трансформатор 1, соединенный с ОК 2, высоковольтный конденсатор 3, фильтр 4 высоких частот, измерительный кабель 5 и регистрирующий прибор 6, содержащий последовательно соединенные широкополосный интегрирующий усилитель 7, компаратор 8, счетчик 9 импульсов и индикатор 10.

Устройство работает следующим образом.

При подаче испытательного напряжения от трансформатора 1 в месте дефекта (например газового включения в диэлектрике) возникают ЧР. Возникновение ЧР равносильно включению некоторого источника импульсного напряжения U₁(t), относительно которого ОК 2 в зависимости от его конструкции может быть представлен нагрузкой в виде сосредоточенной емкости или в виде линии с распределенными параметрами (длинной линии). Поскольку длительность фронта импульса тока ЧР находится в пределах 1-10 нс, то для импульса с фронтом, например, τ_ф = 5 нс, волновые свойства ОК будут проявляться уже на расстоянии l = с ^. τ_ф = 3 ^.10^{8 .} 5^. 10^-9 = 1,5 м, где с - скорость распространения электромагнитных волн. Отсюда следует, что при испытании отдельных изоляторов, относительно коротких высоковольтных вводов и т.п. ОК относительно источника ЧР может быть представлен в виде сосредоточенной емкости. При этом для расчета кажущегося заряда ЧР используется схема замещения. В этом случае источник ЧР U₁(t) через емкость С_д наводит на ОК некоторый заряд, который вызывает бросок напряжения U₂(t), причем U₂(t) пропорционально U₁(t) U₂(t)=U₁(t) С_а > > С_в; С_а > > С_д; а емкость ОК равна C_ок=C_а+ При испытании таких объектов, как токопроводы, статорные обмотки электрических машин и т.п., нагрузкой для источника ЧР будет длинная линия. Этот случай показан на фиг.1, что соответствует большинству ОК, с которыми приходится иметь дело на практике. При испытании такого ОК длинная линия может быть представлена на схеме замещения некоторым сопротивлением R = R_ок/2, где R_ок - волновое сопротивление линии. В этом случае источник напряжения U₁(t) через малую емкость С_д подключается к сопротивлению R. Коэффициент передачи K(j ω) такой системы равен К(j ω) = U₂/U₁ = j ωT/(1+ j ωT). где Т = R ^. C_д, ω - частота. Известно, что при условии ωТ<< 1 эта схема является дифференцирующей, при этом импульсная функция напряжения от тока ЧР, содержащая некоторый спектр частот, дифференцируется, если наивысшая частота в ее спектре значительно меньше 25 ГГц (при 20 Ом и С_д = 2 пФ. что обычно имеет место в реальных условиях, Т = 0,04 нс). Следовательно, что при регистрации ЧР в длинных линиях (при условии, что схема регистрации не искажает форму импульсов) напряжение на выходе равно U₂(t)=T .

При регистрации сигнала ЧР с помощью двухполюсного подключения к корпусу ОК или к другим заземленным элементам снимаемый щупами сигнал U₂(t) также оказывается продифференцированным относительно U₁(t).

Таким образом, интегрируя U₂(t), получаем первообразную, соответствующую изменению напряжения на емкости включения, т.е.

U₁(t)= U₂(t)dt Максимальный перепад напряжения на емкости включения равен ΔU₁ = [U₁(t)]_макс, а кажущийся заряд ЧР равен q= ΔU_в·C_д= ΔU₂·C_ок=q , где ΔU₂ - изменение напряжения на линии после завершения обмена зарядами и переходного процесса;
q_чр - истинный заряд во включении.

Однако величины С_в, С_д и ΔU₂ при регистрации импульсов ЧР в линии неизвестны, поэтому возможным способом определения кажущегося заряда является его вычисление через ток ЧР. Для этого можно допустить, что ток в линии при приложении напряжения U₁(t) определяется соотношением
I(t) = U₁(t)/R_ок, тогда кажущийся заряд равен
q=I(t)dt= U₁(t)dt Таким образом, при регистрации волны U₂(t) на конце линии для определения q необходимо двойное интегрирование.

Сигнал ЧР выводится из ОК с помощью цепочки, состоящей из конденсатора 3, фильтра 4 высоких частот и измерительного кабеля 5, и затем подается на вход регистрирующего прибора 6 (фиг.1). Отсутствие отражений при передаче импульсов от ОК в измерительный кабель 5 обеспечивается согласованием их волновых сопротивлений, т.е. R_ок = R_ик. Условия передачи импульса через цепь вывода сигнала ЧР зависят от величины емкости С_с конденсатора 3. В первом случае, если R_ик ^. С_с >> Т_и, где Т_и - длительность импульса, сигнал передается без изменений. В другом случае, когда R_ик ^. С_с < < Т_и, сигнал в кабеле 5 оказывается продифференцированным относительно сигнала, распространяющегося по ОК (фиг.8).

Оба указанных случая являются важными для практики. Действительно для импульса длительностью Т_и = 10 нс и R_ик = 50, Ом величина С_с = 200^.10^-12 Ф. Это означает, что в случаях, когда необходима информация о структуре импульса ЧР, величина С_с должна превышать 200 пФ, причем абсолютная величина С_с не играет роли. Если же требуется информация только об амплитуде импульса ЧР, то С_с может составлять несколько пикофарад, что может быть достигнуто использованием паразитных емкостей конструктивных элементов ОК без применения дорогостоящих и громоздких соединительных конденсаторов.

При испытаниях объектов с сосредоточенной емкостью сигнал ЧР выводится с помощью высоковольтного конденсатора емкостью 200 пФ, а на выходе кабеля 5 включается измерительное сопротивление R_ик. Затем сигнал интегрируется, в результате чего получается импульс с амплитудой, пропорциональной кажущемуся заряду q.

Если ОК является линией, а сигнал ЧР выводится с помощью конденсатора малой емкости (С_с = 2-3 пФ), то в кабель 5 поступает сигнал, соответствующий третьей производной от кажущегося заряда ЧР, т.е. d³q/dt³ (фиг.8).

Фильтром 4 может служить измерительный четырехполюсник в виде отрезка двухпроводной длинной линии. Изменяя длину линии и ее волновое сопротивление, можно выбирать значения нижней ω₁ и верхней ω₂ частот полосы пропускания. Чтобы отфильтровать сигнал промышленной частоты и низкие частоты, соответствующие основным гармоническим помехам, и пропустить высокочастотный сигнал ЧР, полоса частот должна быть в пределах от ω₁ = 3-5 МГц до ω₂ = 30-50 МГц. В реальных условиях сигнал ЧР вместе с помехами имеет вид, показанный на фиг. 9. После фильтрации остается высокочастотная составляющая (фиг.10), которая подается на вход регистрирующего прибора 6. В широкополосном интегрирующем усилителе 7 сигнал усиливается и интегрируется до первообразной, в результате получается импульс, амплитуда котоpого пропорциональна кажущемуся заряду q (фиг.11). Импульсы с разными амплитудами подаются на компаратор 8, на выходе которого формируется последовательность импульсов, амплитуды которых превышают пороговое напряжение U_п, пропорциональное некоторому кажущемуся заряду q. С помощью счетчика 9 и индикатора 10 получают число импульсов N с амплитудой больше q за определенный промежуток времени (например за период испытательного напряжения). Изменяя пороговое напряжение U_п, получают интегральное распределение амплитуд импульсов ЧР N(q), из которого определяют амплитудный спектр импульсов ЧР n(q), по параметрам которого можно сделать заключение о качестве изоляции. При периодической регистрации амплитудного спектра можно судить о тенденциях изменения качества изоляции во времени.

Формула изобретения

1. Способ контроля характеристик частичных разрядов, включающий воздействие на объект контроля испытательным напряжением промышленной частоты и регистрацию амплитудных спектров импульсов частичных разрядов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехозащищенности контроля, осуществляют дифференцирование импульсов частичных разрядов с последующей высокочастотной фильтрацией, полученный сигнал подвергают усилению и интегрированию, а амплитудные спектры импульсов частичных разрядов определяют из интегрального распределения амплитуд импульсов, полученных в результате интегрирования.

2. Устройство для контроля характеристик частичных разрядов, содержащее испытательный трансформатор, высоковольтный конденсатор, последовательно соединенные фильтр высоких частот, измерительный кабель и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что одной из обкладок конденсатора является токоведущая жила объекта испытаний, параллельно которой расположена проводящая пластина, являющаяся второй обкладкой конденсатора и соединенная с входом фильтра высоких частот, выполненного в виде отрезка двупроводной линии с распределенными параметрами, при этом емкость C_C высоковольтного конденсатора и волновое сопротивление R_и.к измерительного кабеля, выполненного коаксиальным, удовлетворяют соотношению
C_C · R_и.к < T_и,
где T_и - длительность импульса частичного разряда,
а регистрирующий прибор включает в себя последовательно соединенные широкополосный интегрирующий усилитель, компаратор, счетчик импульсов и индикатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13