Электромагнитные методы

УДК 620.179.18.7:621.3.048

КОМПЛЕКСНАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

Г.Д. Марданов^1,**, А.В. Семенников^1,***

¹ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», Россия 420066 Казань,

ул. Красносельская, 51

E-mail: ^*alex.kutuzov@mail.ru, ^**mardanov1992@mail.ru, ^***campoce6e@gmail.com

Поступила в редакцию 23.04.2019, после доработки 26.04.2019

принята к публикации 08.05.2019

С помощью разработанного комплексного способа бесконтактной дистанционной диагностики работоспособности

высоковольтных изоляторов, включающего первоначальное обнаружение локальных областей с повышенными

градиентами электрического поля и измерение набора характеристик частичных разрядов, были исследованы

особенности дефектов на стержне и контакте «стержень-оконцеватель» полимерных и фарфоровых изоляторов.

Обнаружено излучение сверхбольших частичных разрядов и исследованы их особенности. По результатам измерений

была построена схема электрофизических процессов, сопровождающих излучение сверхбольших частичных разрядов, и

установлены причины их возникновения.

Ключевые слова: дистанционная диагностика, высоковольтные изоляторы, градиенты электрического поля,

сверхбольшие частичные разряды, дефекты.

DOI: 10.1134/S0130308219080049

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие особое внимание в электроэнергетике как в России, так и за рубежом,

было обращено на проблему возрастания числа аварий в высоковольтном оборудовании, возникших

из-за повреждений высоковольтных изоляторов (ВИ). Анализ аварий на подстанциях и открытых

распределительных устройствах показал, что повреждения ВИ в большинстве случаев вызваны не

только естественным старением в приложенном электрическом поле (ЭП), но и перенапряжениями,

а также наличием первоначальных дефектов при изготовлении ВИ. Вследствие этого в последние

годы разрабатывались различные методы бесконтактной диагностики ВИ с целью выявления

дефектов на ранней стадии их развития [1—4]. Особое внимание было обращено на метод

частичных разрядов (ЧР), поскольку их характеристики позволяют получить информацию о

параметрах дефектов [5, 6]. К сожалению, при дистанционной диагностике с использованием

метода ЧР с увеличением расстояния между датчиками и ВИ уменьшается чувствительность и

регистрируются сигналы только от крупных дефектов. Это обстоятельство было подтверждено

впервые выполненными обследованиями ВИ на подстанциях Татэнерго с помощью двухканального

дистанционного метода с использованием электромагнитного и акустического датчиков [7], а также

при дистанционной диагностике полимерных ВИ тепловизионными датчиками [1].

Более того, в ряде недавних теоретических работ [8—12] моделировалась возможность

возникновения сильных градиентов ЭП, индуцированных ЧР на дефектах в диэлектриках. По

нашим предварительным оценкам, подобные индуцированные градиенты полей (ИГП) могут

превосходить по напряженности значения ЭП в дефектных полостях ВИ при нормальном рабочем

напряжении и создавать сверхбольшие ЧР (СБЧР), вызывающие разрастание дефектов, особенно

в полимерных ВИ.

В качестве модельных объектов в этих работах рассматривались только простейшие структуры

в виде полимерных блоков, содержащих заполненные воздухом полости. Однако при таком

моделировании практически не обращалось внимание на специфику возникновения мощных

ЧР и их влияние на увеличение существующих и зарождение новых дефектов. При проведении

измерительных экспериментов предполагалось применение контактного способа измерения

параметров ЧР.

Поскольку ранее компьютерная симуляция процессов распространения ЧР в диэлектрических

воздушных полостях не сопровождалась их экспериментальным подтверждением, то целью нашей

работы стало изучение влияния ЧР на физическое состояние обнаруженных ранее дефектов в ВИ

[7]. Для выполнения поставленной цели в разработанный нами измерительный комплекс добавлен

Комплексная бесконтактная диагностика работоспособности...

Рис. 1. Блок-схема дистанционного двухканального аппаратно-программного комплекса:

1 — высоковольтный изолятор; 2 — электромагнитный датчик; 3 — акустический датчик; 4 — аналого-цифровой преобразователь;

5 — персональный компьютер; 6 — двухканальный осциллограф; 7 — электрооптический датчик; 8 — измеритель ИГП.

блок бесконтактного измерения локальных ИГП и поля ЧР, основанный на электрооптическом

эффекте с применением фотонного кристалла в качестве датчика напряженности приложенного

поля (рис. 1) [13, 14]. Для большей достоверности при оценке вида и параметров дефектов была

усовершенствована физическая модель формирования импульсов ЧР в зависимости от вида и

расположения дефектов в реальных ВИ. Также дополнена компьютерная программа, позволяющая

наиболее полно анализировать характеристики ЧР при их детектировании одновременно

электромагнитным и акустическим датчиками, а также выделять наиболее мощные ЧР. Были

разработаны измерительный комплекс для изучения влияния дефектов на работоспособность ВИ

и многоступенчатая программа, включающая первоначальное обнаружение локальных областей

ВИ с повышенными ИГП, измерение набора характеристик ЧР двумя датчиками, определение

вида и места расположения основных дефектов ВИ, оценка влияния мощных ЧР на динамику

дефектов в ВИ.

АППАРАТУРА, ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И

ОБРАЗЦЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

В разработанном комплексе локация областей с повышенной напряженностью ЭП и измерение

градиентов напряженности поля в ВИ (1) осуществляются электрооптическим датчиком (2) (рис. 2)

по значению изменения коэффициента отражения лазерного пучка от указанного датчика,

которое пропорционально напряженности ЭП. С использованием электрооптического датчика

(2), размещенного на диэлектрической штанге (3) и соединенного через поляризационный

дискриминатор и волоконный световод (4) с лазерным излучателем (6) и фотоприемником (7),

3 м

Рис. 2. Общая схема измерений градиентов электрического поля:

1 — высоковольтный изолятор; 2 — электрооптический датчик; 3 — диэлектрическая штанга; 4 — волоконный световод; 5 — блок

перемещения; 6 — лазерный излучатель; 7 — фотоприемник.

Дефектоскопия

№ 8

2019

А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Д.А. Иванов и др.

проводят сканирование по поверхности высоковольтного изолятора. Одновременно с помощью

блока перемещения (5) и разработанной компьютерной программы регистрируют пространственное

положение электрооптического датчика на поверхности изолятора и соответствующую ему

напряженность электрического поля; измеряют нормальные и тангенциальные компоненты

градиентов напряженности электрического поля. Далее пространственное распределение градиентов

поля сравнивают с ранее записанным распределением поля для эталонного высоковольтного

изолятора.

Электрооптический датчик состоит из сегнетоэлектрического кристалла, на поверхности

которого сформирована периодическая доменная структура (ПДС (фотонный кристалл)). Для

повышения чувствительности и разрешающей способности при локации градиентов напряженности

поля используются резонансные свойства ПДС для данной длины волны лазерного излучателя

(эффект Поккельса).

Условие максимального отражения лазерной волны с длиной λ₀ от ПДС выполняется при

равенстве

λ₀ = 2nD,

где n — показатель преломления; D — период ПДС.

Сдвиг резонансной длины волны датчика в электрическом поле E

λ_m = (λ₀ - λ_Е) = n³rDE

приводит к изменению коэффициента отражения R в зависимости от λ_m (рис. 3).

ΔE

1,0

0,8

0,6

ΔR

0,4

0,2

0,1

0,2

λ_m, мкм

Рис. 3. Зависимость значения коэффициента отражения R от изменения резонансной длины волны.

Если длину волны лазерного излучения λ_m настроить на середину склона спектральной кривой

отражения, соответствующей значению R_max/2, то переменное электрическое поле будет создавать

соответствующее изменение коэффициента отражения. Использование практически линейного

отрезка dR/dλ_m позволяет в линейном масштабе определять значения поля E.

Испытания в стендовом варианте показали, что разрешающая способность по

пространственному обнаружению градиентов ЭП, определяемая длиной и периодом доменов в

ПДС, составляет порядка 1,5-2 мм, а точность измерения градиентов — не менее 50 В/см. Датчик

позволяет не только определять локальные градиенты приложенного ЭП, но и регистрировать их

динамические изменения в зависимости от фазы переменного напряжения ΔE/Δφ, соответствующие

характеристикам ЧР, измеряемым электромагнитным и акустическим датчиками.

Таким образом, разработанный комплексный метод диагностики ВИ впервые позволил

определять вид, место расположения и степень влияния дефектов на работоспособность ВИ [13]

как в стендовом, так и полевом вариантах.

Как уже отмечалось ранее [7], при функционировании ВИ наиболее опасны дефекты на

контакте между стержнем и оконцевателем (электродом), а также и на стержне. В первом случае

дефект можно представить в виде полости, заполненной воздухом и ограниченной с одной стороны

Дефектоскопия

№ 8

2019

Комплексная бесконтактная диагностика работоспособности...

диэлектрической поверхностью, а с другой — металлической поверхностью, во втором случае —

полостью, ограниченной двумя диэлектрическими поверхностями. В обоих видах дефектов можно

приближенно считать, что превышение поля в полости (E_п) по отношению к приложенному полю в

диэлектрике (E_д) E_п/E_д пропорционально отношению диэлектрических проницаемостей ε_д/ε_в.

Для стендового исследования процессов взаимодействия приложенного поля E_п с дефектом

были визуально отобраны полимерные ВИ ЛК 70/35, снятые с эксплуатации при плановом

обследовании и имевшие дефекты вида «контакт «стержень-оконцеватель»» и «на стержне». Для

полевых исследований были выбраны фарфоровые ВИ ИОС 110/400, находящиеся под рабочим

напряжением 110 кВ.

Уже в ходе предварительного анализа полученных характеристик ЧР и ИГП с помощью

разработанной компьютерной программы были установлены сопоставимость и непротиворечивость

выявленных данных с помощью электромагнитных и акустических датчиков. Поэтому на рис. 4 и 5

приведены характеристики ЧР только для электромагнитных датчиков.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Выполненный анализ измеренных характеристик ЧР и локальных ИГП в зависимости от фазы

приложенного напряжения (см. рис. 4, 5) позволил получить ряд новых, ранее не выявленных

в экспериментах, особенностей ЧР и определить их связь с видами и параметрами дефектов

в ВИ. По-видимому, наиболее важным было обнаружение СБЧР, интенсивности которых

превышали 1,5-2 нКл. Как следует из наших экспериментов на ВИ ЛК 70/35, их влияния было

достаточно для увеличения размеров уже существовавших дефектов и зарождения новых. Анализ

80 120 160 200 240 280 320 360

Фаза, град

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

Заряд ЧР, нКл

80 120 160 200 240 280 320 360

Фаза, град

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

Заряд ЧР, нКл

80 120 160 200 240 280 320 360

Длина образца, мм

Рис. 4. Параметры ЧР (1—4) и ИГП (5) в полимерных ВИ, измеренные электромагнитным и электрооптическим датчи-

ками соответственно:

а — для образцов с дефектами на стержне; б — с дефектами «стержень-оконцеватель»;

1, 2 — для малых дефектов; 3, 4 — для больших; 5 — пространственное распределение ИГП.

Дефектоскопия

№ 8

2019

А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Д.А. Иванов и др.

80 120 160 200 240 280 320 360

Фаза, град

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

Заряд ЧР, нКл

80 120 160 200 240 280 320 360

Фаза, град

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4 1,6 1,8

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4 1,6

1,8

Заряд ЧР, нКл

Рис. 5. Параметры ЧР в фарфоровых изоляторах. Все индексы на графиках соответствуют рис. 4.

характеристик ЧР ИГП и визуальное обследование ВИ ЛК 70/35 позволили несколько условно

разделить дефекты на малые (а1, б1) и сверхбольшие (а3, б3) не только по интенсивности ЧР,

но и по распределению количества ЧР в зависимости от интенсивности, представленному на

рис. 4 и 5 (а2 и б2, а4 и б4). В образцах ВИ с дефектами на стержне наблюдались в основном

одиночные СБЧР с положительной и отрицательной полярностями, а для дефектов «стержень-

оконцеватель» — только в отрицательной фазе приложенного напряжения. Причем число СБЧР

могло возрастать в каждом периоде с увеличением размера дефекта.

Для образцов ВИ с дефектами на стержне характерны узкие фазовые интервалы излучения

СБЧР (рис. 4 и 5 а3), а для ВИ с дефектами «стержень-оконцеватель» — более широкие фазовые

интервалы излучения (рис. 4 и 5 б3).

Приведенные на рис. 4 а5, б5 характеристики пространственного распределения ИГП для ВИ

ЛК 70/35 и фазовое изменение индуцированного поля E_а, представленное на рис. 6 (кривая 4),

вполне соответствуют друг другу, что позволило расширить диапазон измеряемых параметров ЧР

и ЭП и, таким образом, более точно определять вид дефектов в ВИ.

На основе полученных данных по фазовым характеристикам ЧР и градиентам ЭП была

построена схема электрофизических процессов (см. рис. 6), происходящих в полостях обоих

дефектов в течение одного периода приложения высокого напряжения, в которой представлены

изменения поля E_п в полости, поля E_а на диэлектрических поверхностях полости, индуцированного

частичными разрядами, и фазовые интервалы генерации ЧР.

До начала излучения импульсов ЧР поле E_п в полости однородно. С ростом поля E_п, начиная

с нулевой фазы, до достижения условия E_п ≥ E_н (0—50°) (E_н — поле электрического пробоя)

начинается излучение малых ЧР. Оно сопровождается накоплением зарядов на диэлектрических

поверхностях полости, которые образуют поле E_а, противоположное по знаку приложенному

полю E_п. Поле E_а возрастает с каждым последующим ЧР, пока не превысит поле E_п, что

приведет к прекращению излучения ЧР и дальнейшему росту поля E_а. Причем вследствие малой

электропроводности диэлектрика поле E_а сохраняется до следующего ЧР. После смены фазы

приложенного напряжения при 180° поля E_п и E_а становятся одинаковыми по знаку и их векторное

сложение (E_п + E_а) > E_н приводит к излучению СБЧР (180—240°).

Дефектоскопия

№ 8

2019

Комплексная бесконтактная диагностика работоспособности...

E, отн. ед.

-5

-10

-15

180

270

360

φ, град

Рис. 6. Диаграмма распределения ЭП в полости дефекта в зависимости от фазы приложенного ЭП:

1 — приложение поля E_п в полости дефекта; 2 — поле индуцированных зарядов E_а на диэлектрических поверхностях полости;

3 — суммарное поле в полости E_п ± E_а = E_c; 4 — изменение поля E_c в дефекте «стержень-оконцеватель».

В отличие от малых ЧР, сверхбольшие разряды происходят от той поверхности полости, на

которой возникают сверхбольшие градиенты ЭП. Такой мощный разряд возможен при большом

размере поверхности полости, что и подтверждается в экспериментах. На схеме (см. рис. 6)

возникновение отрицательного СБЧР соответствует резкому изменению поля E_а при φ ≈ 240°.

Для дефекта с одной диэлектрической поверхностью (контакт

«стержень-оконцеватель»)

процесс излучения СБЧР на этом фазовом цикле (φ < 270°) заканчивается, а для дефекта с двумя

диэлектрическими поверхностями при дальнейшем увеличении фазовых углов происходит

накопление зарядов и образование поля E_а противоположного знака (фазовый интервал 240—360°).

Этот процесс заканчивается возникновением положительного СБЧР уже в фазовом интервале

следующего цикла приложенного напряжения (0—50°).

В соответствии с предложенной нами схемой в каждом цикле поля E_п с началом малых ЧР

возрастает скорость генерации электронов в процессе разряда, что приводит к более ранней

фазе начала излучения ЧР и соответствующего поля зарядов на поверхности без изменения их

полярности. СБЧР, наоборот, возникают при смене поляризации максимального поля E_c внутри

полости. Причем с ростом размера полости увеличение разрядного промежутка приводит к

возрастанию числа и скорости электронов, а следовательно, к большей интенсивности СБЧР и их

числа в каждом цикле высокого напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненных нами экспериментов по изучению дефектов в полимерных и

фарфоровых ВИ вначале в стендовом варианте с регулируемым источником высокого напряжения,

а затем в полевых условиях, были сделаны следующие выводы: измеренные характеристики ЧР

электромагнитным и акустическим датчиками согласуются между собой с точностью до 20-25 %. Их

фазовое распределение вполне соответствует фазовым изменениям характеристик ИГП, измеренным

электрооптическим датчиком, а также градиентам температуры, измеренным тепловизионным

датчиком. Для обоих видов дефектов установлены зависимости количества, интенсивности и

фазового интервала излучения сверхбольших ЧР от размера дефекта. Причем для дефектов на

стержне характерны положительные и отрицательные СБЧР, а для дефектов на контакте «стержень-

оконцеватель» — только отрицательные СБЧР. Поскольку именно СБЧР, как показали стендовые

измерения, являются основной причиной повреждения ВИ в процессе эксплуатации, то необходимо

проводить подобные предварительные испытания на стенде с регулируемым источником высокого

напряжения для каждого вида ВИ перед их постановкой в эксплуатацию и использовать полученные

характеристики для диагностики состояния дефектов в процессе эксплуатации [15].

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 18-08-00203.

Дефектоскопия

№ 8

2019

А.В. Голенищев-Кутузов, В.А. Голенищев-Кутузов, Д.А. Иванов и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гайворонский А.С. Повреждения полимерных изоляторов и их диагностика при эксплуатации //

Главный энергетик. 2010. № 2. С. 23—27.

2. Salustiano R., Capelini R.M., de Abreu S.R., Martinez M.L.B., Tavares I.C., Ferraz G.M.F.,

Romano M.A.A. Development of new methodology for insulators inspections on aerial distribution lines based

on partial discharge detection tools / ICHVE International Conference on High Voltage Engineering and

Application. 8—11 Sept. 2014. IEEE, 2014. P. 1—4.

3. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Марданов Г.Д., Хуснутдинов Р.А.,

Евдокимов И.А. Дистанционная диагностика высоковольтных изоляторов // Дефектоскопия. 2016. № 8.

С. 75—82.

4. Bartnicas R. Partial discharges. Their mechanism, detection and measurement // IEEE Transactions on

Dielectrics and Electrical Insulation. 2002. V. 9, No. 5. P. 763—808.

5. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования.

Новосибирск: Наука, 2007. 156 с.

6. Киншт Н.В., Петрунько Н.Н. Об оценке параметров частичных разрядов // Электричество. 2016.

№ 6. С. 51.

Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Иванов Д.А., Марданов Г.Д.,

Семенников А.В. Дистанционная диагностика дефектов в высоковольтных изоляторах в процессе

эксплуатации // Дефектоскопия. 2018. № 10. С. 10—14.

8. Illias H.A., Chen G., Lewin P.L. The influence of spherical cavity surface charge distribution on the

sequence of partial discharge events // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. V. 44. No. 24. P. 245202.

9. Wu K., Pan C., Meng Y., Cheng Y. Dynamic behavior of surface charge distribution during partial discharge

sequences // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2013. V. 20. No. 2. P. 612—619.

10. Kupershtokh A.L., Karpov D.I. Simulation of waves of partial discharges in a chain of gas inclusions

located in condensed dielectrics // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 754. P. 102006.

11. Villa A., Barbieri L., Gondola M., Leon-Garzon A.R., Malgesini R. A PDE-based partial discharge

simulator // Journal of Computational Physics. 2017. V. 345. P. 687—705.

12. Callender G., Golosnoy I.O., Rapisarda P., Lewin P.L. Critical analysis of partial discharge dynamics in

air filled spherical voids // Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. V. 51. No. 12. P. 125601.

13. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Марданов Г.Д., Хуснутдинов Р.А. Способ

бесконтактной дистанционной диагностики состояния высоковольтных изоляторов / Патент № 2597962.

РФ. 20.09.2016.

14. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Марданов Г.Д., Семенников А.В. Датчик

высоких электрических полей на фотонном кристалле // Изв. РАН. Серия физическая. 2019. Т. 83. № 1.

С. 125—127.

15. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Иванов Д.А., Марданов Г.Д., Семенников А.В.

Способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния высоковольтных изоляторов / Патент на

изобретение № 2679759. РФ. 21.03.2018.

Дефектоскопия

№ 8

2019