Способ определения состояния и ресурса изоляционной системы электрооборудования

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для оценки состояния изоляционной системы энергетического оборудования. Способ заключается в том, что формируют спектр диэлектрического поглощения для контролируемого изоляционного промежутка и по градуировочной характеристике устанавливают выработанный и остаточный ресурс изоляции, изоляционный промежуток предварительно разряжают в течение требуемого интервала времени, измеряют величину тока в выбранном интервале времени от 0 до 600 сек, контролируя для этого величину тока I(t) через равные промежутки времени и оценивают величину тока утечки Iут., из полученного, таким образом, спектра, представляющего собой кривую зависимость t*I(t)=f(t), проходящую через максимум, выделяют две основные полосы поглощения, при этом контролируют величину максимумов первой и второй полос поглощения и их положение на временной оси, получают информацию о состоянии диэлектрических материалов, контролируемого изоляционного промежутка, а величину ресурса оценивают по величине обобщенного индекса поляризации, который представляет собой максимальное значение функции t*I(t), путем сопоставления с расчетным значением, характеризующим состояние среднестатистического промежутка, процесс старения которого представлен в виде математической модели, сформированной на основе результатов контроля состояния N реально эксплуатируемого длительное время оборудования, где N - целое число и выбрано из соотношения N≥70. Технический результат заключается в повышении достоверности оценки состояния работающих длительное время изоляционных промежутков энергетического оборудования. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для оценки состояния изоляционной системы мощных энергетических устройств повышенного и высокого напряжения, таких как мощные трансформаторы передающих и распределительных сетей, высоковольтные кабели, электрические машины и пр.

Известен способ определения состояния изоляционной системы электроустановки (АС SU №1476406, МПК G01R 31/00, опубл. 1989.04.30), заключающийся в том, что по измеренным значениям при определенных условиях величины омического сопротивления R_из. и величины тангенса угла диэлектрических потерь tgδ определяют сопротивление току абсорбции, абсорбционную емкость, тангенс угла абсорбции, с помощью которых и формируется представление о состояний изоляционной системы.

Недостатком этого способа является низкий уровень достоверности прогнозирование ресурса изоляционной системы электроустановки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оценки состояния изоляции и прогнозирования ее ресурса (патент RU №2044326, МПК G01R 31/00, опубл. 1995.09.20), заключающийся в том, что для контролируемого устройства формируют спектр диэлектрического поглощения в виде зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты и находят частоту максимума диэлектрических потерь, дополнительно определяют эталонное значение частоты максимума тангенса угла диэлектрических потерь и градуировочные характеристики для образцовой электроустановки при различных температурах, рабочую температуру изоляции, находят разность упомянутых значений и по градуировочной характеристике устанавливают выработанный и остаточный ресурс изоляции.

Недостатком этого способа является низкий уровень достоверности получаемых оценок, так как градуировочные характеристики образцовой установки могут существенно отличаться от аналогичных характеристик контролируемой установки, которая была введена в эксплуатацию тридцать и более лет назад и изготовлена по совершенно иной технологии.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности оценивания состояния работающих длительное время изоляционных промежутков энергетического оборудования.

Этот результат достигается тем, что в способе определения состояния и ресурса изоляционной системы электрооборудования, заключающимся в том, что формируют спектр диэлектрического поглощения для контролируемого изоляционного промежутка и по градуировочной характеристике устанавливают выработанный и остаточный ресурс изоляции, изоляционный промежуток предварительно разряжают в течение требуемого интервала времени, измеряют величину тока в выбранном интервале времени от 0 до 600 сек., контролируя для этого величину тока I(t) через равные промежутки времени и оценивают величину тока утечки Iут., из полученного, таким образом, спектра, представляющего собой кривую зависимость t*I(t)=f(t), проходящую через максимум, выделяют две основные полосы поглощения, при этом, контролируют величину максимумов первой и второй полос поглощения и их положение на временной оси, получают информацию о состоянии диэлектрических материалов, контролируемого изоляционного промежутка, а величину ресурса оценивают по величине обобщенного индекса поляризации, который представляет собой максимальное значение функции t*I(t), путем сопоставления с расчетным значением, характеризующим состояние среднестатистического промежутка, процесс старения которого представлен в виде математической модели, сформированной на основе результатов контроля состояния N реально эксплуатируемого длительное время оборудования, где N - целое число и выбрано из соотношения N≥70.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1. представлен график спектра токов поляризации (спектра диэлектрической абсорбции); на фиг.2. изображен график зависимости времени жизни от величины tpi для среднестатистического оборудования (трансформатора).

Способ заключается в том, что контролируют величину обобщенного индекса поляризации tpi (total polarization index), отражающую интенсивность структурной поляризации, развивающейся на границе: масло - твердый диэлектрик и являющуюся функцией состояния контактирующих материалов. Чтобы оценить состояние объекта контроля величину tpi сопоставляют с расчетным значением tpi_расч., характеризующим состояние среднестатистической единицы аналогичного оборудования. Сопоставление измеренной величины tpi с предельно допустимым его значением tpi_пред., определяющим предельно допустимое состояние контролируемого промежутка, позволяет оценить величину оставшегося ресурса. Процесс его старения (градуировочную характеристику) в этом случае представляют в виде математической модели, сформированной на основе анализа результатов контроля большого числа (N>50) аналогичного оборудования и отражающей опыт эксплуатации изделий в течение длительного времени.

Величина tpi представляет собой не что иное, как максимальное значение зависимости t*i(t)=f(t), где i(t) - величина тока поляризации, нормированная относительно тока утечки I_ут.

$$i\left(t\right)=\left(I\left(t\right)-I_{ут}\right)/I_{ут}.\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(1\right)$$

I(t) - величина измеряемого тока в момент времени. Зависимость t*i(f)=f(f) представляет собой кривую, проходящую через максимум.

Зависимость t*i(t)=f(t) для реального изоляционного промежутка трансформатора с максимальным рабочим напряжением 110 кВ (фиг.1) отражает спектр диэлектрической абсорбции в интервале времени (0÷600) сек. В данном временном интервале спектр диэлектрической абсорбции представлен двумя основными полосами поглощения. (1 - полоса поглощения с максимумом в интервале (50÷250) сек; 2 - полоса поглощения с максимумом в интервале (300÷500) сек.). Величина первого максимума определяется процессами структурной поляризации, развивающимися на границе раздела между жидким и твердым диэлектриками, и зависит от свойств и состояния соприкасающихся материалов. Величина второго максимума определяется процессами структурной поляризации, имеющими место в объеме жидкого диэлектрика, и отражает уровень его старения. Таким образом, контролируя величину обоих максимумов и их положение на временной оси, получают информацию о состоянии диэлектрических материалов, формирующих контролируемый промежуток. Установленная опытным путем зависимость t_ж=f(tpi) отражает существующие закономерности старения эксплуатируемого парка оборудования, а ее аппроксимация в виде математического уравнения

$$t_{ж}=A*tp{i}^{-n}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(2\right)$$

представляет собой математическую модель процесса старения его. Кроме того, удается количественно оценить величину оставшегося ресурса времени эксплуатируемого оборудования. Для этого сопоставляют измеренное значение tpi с его предельно допустимым значением tрi_пред., определяющим предельно допустимое состояние контролируемого промежутка Δt_жиз.

$$\Delta t_{жиз.}=t_{жиз.}\left[{\left(\frac{tpi}{tp{i}_{пред}}\right)}^n-1\right].\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(3\right)$$

В этих соотношениях t_жиз. - время, отработанное контролируемым электрооборудованием (изделием) в годах; А и n - константы, определяемые по методу наименьших квадратов при обработке экспериментальных данных.. Значение tpi_пред. находят с помощью аппроксимирующего данную зависимость соотношения (2) по величине $$t_{жиз.}^{пред.}$$ , когда эксплуатация изделия становится технически невозможна или экономически нецелесообразна. Точность оценки ресурса определяется достоверностью зависимости t_ж=f(tpi) для среднестатистического изделия, которая в данном способе принимается в качестве базы сравнения и которая была получена с помощью регрессионного анализа результатов контроля более 70 реально существующих трансформаторов напряжением 110 кВ, время эксплуатации которых укладывается в диапазоне от 24 до 55 лет. Точность оценок с каждым прошедшим годом увеличивается, так как число исследованных трансформаторов одного и того же типа возрастает. Установленные физические закономерности позволяют предложить новый способ определения состояния и ресурса работающей изоляционной конструкции. Суть его заключается в том, что из полученного опытным путем спектра диэлектрической абсорбции выделяют две его основные полосы поглощения, интенсивность и положение на временной оси которых позволяют судить о состоянии диэлектрических материалов, формирующих изоляционный промежуток. При этом величину ресурса оценивают путем сопоставления величины первого максимума (tpi) с расчетным значением tрi_пред, характеризующим состояние близкое к отказу среднестатистического промежутка, процесс старения которого представлен в виде математической модели, отражающей результаты контроля состояния большого числа (N≥70) однотипного оборудования, где N целое число. Математическая модель, в итоге формирует базу сравнения, в которой отражен накопленный опыт эксплуатации интересующего оборудования, что, в конечном счете, и позволяет повысить достоверность оценок состояния и точность определения ресурса.

Способ определения состояния и ресурса изоляционного промежутка, как последовательность технологических операций, реализуют следующим образом.

1. Изоляционный промежуток, подлежащий контролю, предварительно разряжают в течение требуемого интервала времени.

2. Измеряют зависимость I(t) в выбранном интервале времени (0÷600 сек), контролируя для этого величину тока в промежутке каждые 5 сек, и оценивают величину тока утечки I_ут..

3. Формируют спектр диэлектрической абсорбции для контролируемого изоляционного промежутка, который представляет собой зависимость t*I(t)=f(t).

4. Из полученного спектра, представляющего собой кривую, проходящую через максимум, с помощью метода, предложенного в работе Hideharu Matsuura and Takashi Hose "Graphical peak analysis method for determining densities and emission rates of traps in dielectric film from transient discharge current". // Journal Applied Physics, 2002, vol.91, №4, p.p.2085-2092, выделяют две основные полосы поглощения, параметры которых и несут основную информацию о состоянии и ресурсе изоляционного промежутка.

5. Сопоставляя измеренное значение tpi с расчетным tpi_расч., вычисленным с помощью соотношения (2) для t_ж, равному числу отработанных календарных лет изделия на момент его контроля, оценивают насколько степень старения контролируемого изоляционного промежутка отличается от степени старения среднестатистического, для которого известны не только величина tpi, но и величина ресурса (фиг.2).

Полученная таким образом информация позволяет количественно оценить искомые параметры. Отличительной особенностью предлагаемого способа является формирование математической модели как основы базы сравнения по результатам контроля реально эксплуатируемого оборудования. (Как правило, специально созданные физические или математические модели лишь с большим приближением отражают физические процессы, протекающие в изоляционных конструкциях. В таких случаях базу сравнения представляют в виде мастер - кривых, градуировочных характеристик, реперных точек и пр.: Y.Takezava at all. Thermal Deterioration Diagnostics by Optical Fiber Sensors for Mica-epoxy Insulation of HV Induction Motors. - IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation. - V.4. - №1, February 2001).

Для проведения идентификации контролируемого оборудования кривую t*i(t)=f(t) раскладывают на две основные полосы поглощения (фиг.1), с помощью которых определяют величину tpi и состояние оборудования в целом. Расчетное значение tpi_расч. определяют по кривой, приведенной на фиг.2, или по расчетному соотношению (2), описывающему процесс старения среднестатистической единицы контролируемого оборудования. В результате величина Δt_жиз., определенная по формуле (3), позволяет количественно оценить насколько истинный возраст контролируемого изделия отличается от его среднестатистического аналога. При реализации способа контроля, выявленные отличительные признаки в совокупности с другими признаками обеспечивают получение технического результата, заключающегося в повышении достоверности оценки состояния и величины ресурса изоляции. Повышение достоверности оценки состояния и ресурса изоляционного промежутка достигается тем, что на опыте контролируют величину tpi, определяемую интенсивностью процессов поляризации, развивающихся на границе раздела: масло - твердый диэлектрик, и непосредственно зависимую от характеристик и состояния контактирующих материалов. При этом величину tpi сопоставляют с ее расчетным значением tpi_расч. характеризующим процесс старения среднестатистической единицы оборудования во времени, поскольку база сравнения сформирована на основе результатов контроля большого числа реально эксплуатируемого оборудования.

Использование изобретения обеспечивает повышение достоверности оценки состояния и ресурса изоляционного промежутка

Способ определения состояния и ресурса изоляционной системы электрооборудования, заключающийся в том, что формируют спектр диэлектрического поглощения для контролируемого изоляционного промежутка и по градуировочной характеристике устанавливают выработанный и остаточный ресурс изоляции, отличающийся тем, что изоляционный промежуток предварительно разряжают в течение требуемого интервала времени, измеряют величину тока в выбранном интервале времени от 0 до 600 с, контролируя для этого величину тока I(t) через равные промежутки времени, и оценивают величину тока утечки Iут, из полученного таким образом спектра, представляющего собой кривую зависимость t·I(t)=f(t), проходящую через максимум, выделяют две основные полосы поглощения, при этом контролируют величину максимумов первой и второй полос поглощения и их положение на временной оси, получают информацию о состоянии диэлектрических материалов, контролируемого изоляционного промежутка, а величину ресурса оценивают по величине обобщенного индекса поляризации, который представляет собой максимальное значение функции t·I(t), путем сопоставления с расчетным значением, характеризующим состояние среднестатистического промежутка, процесс старения которого представлен в виде математической модели, сформированной на основе результатов контроля состояния N реально эксплуатируемого длительное время оборудования, где N - целое число и выбрано из соотношения N≥70.