Ю.П. Аксенов, А.П. Прошлецов, А.Г. Фаробин, И.В. Ярошенко (ЗАО «ДИАКС»)
В.Э. Куриленко (ОАО «Концерн Росэнергоатом»)
В условиях эксплуатации для измерений ЧР во вводах используется схема измерений со съемом сигнала через ПИН-вывод с необходимостью вывода трансформатора из работы для подключения схемы измерений ЧР. Указанный способ подключения рекомендуется [1] и заводскими инструкциями. Однако в соответствии с разработанными для АЭС МУ 1.3.3.99.0038-2009 «Диагностика силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и их вводов» разработана технология контроля ЧР в изоляции ввода без гальванического контакта с ПИН-выводом [2, 3]. Технология успешно используется для диагностики силовых трансформаторов и ШР в течение более 10 лет, она позволяет определить характеристики разрядных явлений, локализовать зону дефекта, определить дефектный узел трансформатора, включая ЧР в изоляции обмотки, искрения в пакете активной стали, ЧР во вводах и т.д. [4,5,6,7] База данных основывается на многолетних периодических измерениях трансформаторов отечественных и зарубежных конструкций, в том числе диагностировались и вводы традиционных конструкций вводов, а также вводов и аппаратов с RIP изоляцией классов 800-364кВ. Кроме того следует указать, что измерения «Высокочастотной схемой»[1] компонент E(t) и H(t) электромагнитной волны, распространяющейся от зоны ЧР, позволяют получить информацию об элементарных явлениях при частичном разряде [7], в этом преимущества «Высокочастотной схемы» перед схемой по МЭК 270, а также в сопоставлении с «Ультра высокочастотной схемой» - UHF [8]. Последнее может быть полезным и для «завода», так как позволяет установить особенность дефекта (пузырек в монолите, отслоение изоляции от металла, пузырьки в силиконе).
В связи с внедрением в эксплуатацию вводов с RIP изоляцией возникла проблема проведения контроля ЧР в условиях эксплуатации без вывода трансформатора из работы, особенно это важно для трансформаторов АЭС, работающих на номинальной нагрузке с 18-месячным циклом. Последнее означает, что для контроля состояния вводов измерения ЧР должны выполняться без подключения к ПИН-выводу, с установкой датчиков на заземленных частях трансформатора в узле фланца ввода.
По этой причине основная задача настоящих измерений ЧР – это определение соотношения сигналов, измеряемых в мВ с критериальными величинами, определяемыми в условиях завода, в единицах кажущегося заряда (пКл). Инструментальное определение этих соотношений для нескольких типов датчиков в условиях завода и было целью данной работы. При этом необходимо выполнить тарировку для двух вариантов использования «Высокочастотной схемы»:
а) при измерениях на колоколе трансформатора;
б) в условиях, когда датчик установлен на фланце ввода.
1. Тарировка «Высокочастотной схемы» в условиях «Завода-изготовителя» при использовании для силовых трансформаторов
Обследования «Высокочастотной схемой» проводились по большому числу точек установки датчиков в средней и нижней части ШР. Выполнялся анализ регулярных (частых) импульсов при контроле n(Q), а также редких, при осциллографировании. По штатной схеме «Завода-изготовителя» по [9] измерения проводились с экранов, находящихся внутри ШР, с выводом сигнала на осциллограф.
Анализ потока импульсов по измерениям распределений n(Q). При измерении распределений n(Q), приведенных на рис.1, получено, что имеют место несколько мод, в том числе стабильные импульсы амплитудой ~1В, n~70-75имп/пер (мода «а»), которые являются доминирующими. Но также имеют место и другие моды, меньшей амплитуды, однако мощность их много меньше, чем в моде «а».
Анализ изменений мощности разрядной активности (Ра) по высоте ШР, например, по точкам 3верх, т.е. 3, 13, 23 (рис.1) показывает, что имеет место уменьшение Ра с нижней части ШР к верхней.
Рис.1 Характер изменений распределений n(Q) при подробном контроле по колоколу ШР с правой стороны (точки на рисунке)
Сопоставление характеристик, измеренных на колоколе «Высокочастотной схемой», с данными осциллографирования потока импульсов «Штатной» системой контроля ЧР. Поток импульсов, измеренный схемой контроля ЧР, используемой на «Заводе-изготовителе» («Штатной» системой), показан на рис.2.
Рис.2 Осциллограмма потока импульсов, по «Штатной» системе, «а» - полная осциллограмма за период 50Гц (20мс), где видны частые импульсы, по градуировке «штатной» системы, соответствующие ~150-250пКл; «б» - отдельные импульсы от ЧР малой амплитуды, интервал между импульсами ~30мкс.
Из рис.2 видно, что имеют место частые импульсы (150-250пКл). Число импульсов n=20мс/30мкс ~70имп/период.
Таким образом, указанные импульсы (по «Штатной» системе 150-250пКл и n~70имп/пер) соответствуют моде «а» по рис.1, при измерении «Высокочастотной схемой» (по колоколу ШР, при этом амплитуда составила 1В, 60-75имп/пер). Следовательно, импульсы от моды «а» по [2] из нижней части ШР фиксируются «Штатной» системой по [9] с электростатического экрана как ЧР амплитудой 150-250пКл. Это позволяет определить тарировочный коэффициент kт, по которому можно измеренные величины ЧР на корпусе в мВ по [2] пересчитать в пКл, измеряемые по [9]. По результатам измерений тарировочный коэффициент, определяющий пересчет измеренных на колоколе амплитуд импульсов, измеряемых в мВ, в величины заряда в пКл, будет равен:
2. Тарировка «Высокочастотной схемы» в условиях «Завода-изготовителя» для высоковольтных вводов
1) Блок-схема проведения тарировочных опытов
Градуировка проводилась по схеме, приведенной на рис.3. На фото рис.4 показаны датчики измерительного комплекса «ДИАКС-ДКЧР-2М».
Рис.3 Тарировка системы измерений электроразрядных явлений (ЧР, искрений и т.д.) «Высокочастотной схемой» (комплексом «ДИАКС-ДКЧР-2М») по показаниям штатной схемы контроля ЧР на испытательном стенде завода:
«а» - заводская (штатная) схема градуировки (по МЭК): 1 – стандартный (штатный) градуировочный генератор, 2 – измерительный импеданс, 3 – измерительный прибор.
«б» - «Высокочастотная схема» имитация разряда в объекте испытаний и контур высокочастотных измерений характеристик ЧР: 1 и 5 – ВЧ трансформаторы тока, 2 – конденсатор, 3 – градуировочный генератор G-30, 4 – анализатор импульсов PDPA, 6 – датчики ТМР-2, ТМР-5, ТМР-5N для фиксации компонент E(t) и H(t).
Рис.4 Датчики, установленные в нижней части объекта испытаний:
Фото I – Цепь имитации разряда в объекте испытаний: 1 – генератор наносекундных импульсов (10нс, 80В); 2 – градуировочный конденсатор (фольга).
Фото II – Размещение датчиков на фланце ввода (фото I): 3 – шина заземления; 4 – ВЧ трансформатор СТ-40; 5 – датчик магнитный ТМР-5; 6 – датчик ТМР-5N для компонент E(t) и H(t).
в) Размещение датчиков на шине (фото II): 4 – ВЧ трансформатор СТ-40;
5 – датчик магнитный ТМР-5; 6 – датчик ТМР-5N компоненты E(t) и H(t).
Измерительные устройства. По «Штатной Схеме» амплитуда ЧР фиксировалась на осциллограмме, при этом импульсы от ЧР накладывались на синусоиду испытательного напряжения, пример информации на фото рис.5.
Рис.5 Фотографии экранов прибора измерений ЧР по штатной схеме: Импульсы от схемы имитации разряда в объекте испытаний от генератора (рис.3, поз.1) – измеренная величина 20пКл.
В «Высокочастотной схеме» (комплекс «ДКЧР-2М») использовались (рис.1):
- осциллограф “Tektronix “ TDS 2014;
- анализатор потока импульсов PDPA-А.10.
2) Результаты градуировки при использовании «Штатной Схемы» (по МЭК – [13])
Градуировочный импульс от генератора вводился на объект испытаний величинами 50пКл. Собственно импульс от генератора при подаче на осциллограф дан на рис.6. Распределение n(Q) с генератора дано на рис.7. Измерения проводились от СТ2, кроме того, были установлены датчики на шине заземления, рис.4, фото II.
Результаты измерений осциллограмм датчиками на фланце ввода. При подаче штатного градуировочного импульса на шине заземления и на фланце ввода датчиками, указанными на рис.4, фиксировались импульсы, которые приведены на осциллограмме рис.8, где приведены также обработанные в Excel осциллограммы для последующей цифровой обработки.
Рис.8 Сопоставление сигналов с СТ1 (СТ68) и датчиков ТМР-5 и ТМР-5N, установленных на заземленной шине, при подаче на схему 50пКл от штатной схемы: а – осциллограмма с экрана осциллографа; б – обработанный в Excel импульс с ТМР-5N.
2) Результаты измерений распределений n(Q)
Кривая распределения для датчика ТМР-5N при штатной градуировке 50пКл дана на рис.9.
Рис.9 Распределение n(Q) для «ТМР-5N» на фланце ввода.
3) Выводы по результатам тарировки для измерений во вводе
а) Из анализа результатов сопоставления результатов измерений различными датчиками и средствами измерений при вводе градуировочного импульса, равного 50пКл, следует:
- По результатам осциллографирования (рис.10) двойной размах 2А для датчиков ТМР-5N и ТМР-5 составляет: 2А»100мВ. Это означает, что средняя амплитуда при измерении по [5] будет равна А»50мВ.
- По измерениям n(Q), по [13] - рис.11, величина сигнала составляет ~43мВ.
б) Определение тарировочного коэффициента
Так как величина штатного градуировочного импульса по [9] Qград~50пКл, а измеренные разными способами по [5] Uсиг~50-43мВ, можно принять с упрощением, что 50пКл соответствует ~50мВ,
Таким образом kтар~1пКл/мВ.
3. Определение чувствительности высокочастотной схемы в условиях эксплуатации
Размещение датчика на фланце ввода, а также результаты измерений ЧР для ввода с RIP изоляцией в условиях эксплуатации приведены на рис.10.
Рис.10 Результаты практических измерений ЧР на вводе с RIP изоляцией на автотрансформаторе КУРАЭС: а – расположение датчика ТМР-5N на фланце ввода; б – осциллограммы импульсов от ЧР при измерении по двум каналам: СН1 – Е(t), СН2 – H(t), шумовая дорожка обозначена “a” и “b”.
По осциллограмме рис.10-б, для СН2 (датчик ТМР-5N, H(t)) величина амплитуды ~50мВ. Это означает, что величина ЧР в данном вводе ~50пКл (с учетом тарировки в разделе 2).
Определение чувствительности схемы измерения кажущегося заряда в условиях эксплуатации[2]. Определение чувствительности проводилось по анализу осциллограмм, при этом анализировались амплитуды шумовой дорожки и амплитуда импульса. На рис.10 в точках луча осциллограммы, участки шумовой дорожки обозначены “a” и “b”, т.о. амплитуды шумов Uш:
на “a” - Uш~1мВ,
на “b” - Uш~10мВ.
Таким образом, так как kтар~1пКл/мВ, то чувствительность схемы измерения амплитуд импульсов от ЧР на трансформаторах вообще (не только на вводах) в условиях действующего ОРУ-750кВ в пределах 1-10пКл.
4. Иллюстрация измерений и локации дефектов на силовом трансформаторе в его активной части
В данном разделе приводятся результаты локализации зон дефекта с использованием технологии, описанной в разделе 3. Однако для нижеприводимого случая (рис.11, 12) дефект имеет место в активной части трансформатора. Для локации датчики устанавливались на заземленных фланцах вводов разных фаз и на колоколе трансформатора. Сигналы фиксировались на осциллографе по двум каналам. Осциллограммы измерений, приведены на рис.11÷14. В подрисуночных подписях указываются особенности измерений и логика локации зоны дефекта. Из приведенного анализа осциллограмм следует:
- На всех фланцах вводов фиксируются примерно одинаковые сигналы по структуре импульса, соответствующие разрядам.
- Сигнал на фазе А приходит позже сигнала на фазе В (рис.11).
- Сигналы на фазах В и С приходят одновременно (рис.12), т.е. дефект находится между фазами В и С.
- Сигнал с датчика на колоколе трансформатора приходит раньше сигнала с фазы В. Это свидетельствует что дефект внутри трансформатора.
Осциллограммы рис.13 характеризуют структуру дефекта – искрение. Можно предположить, что искрение в активной части трансформатора в сердечнике ф.В в зоне точки 13 (со стороны ВН, около ф.В).
Риc.14. Осциллограммы импульсов при размещении датчиков на точке 13 и вводе фазы В. Дана полная структура сигнала разрядного явления из трансформатора. Явление соответствует искрению в активной части трансформатора в зоне точки 13. (Точка 13 в центральной части трансформатора со стороны ВН)
Таким образом, использование «Высокочастотной схемы» с использованием датчиков, устанавливаемых на колоколе трансформатора, можно локализовать дефектный узел трансформатора, имеющего разрядные явления, и, кроме того, по структуре осциллограммы можно определить и форму разряда, т.е. отличить искрения и ЧР в изоляции.
Список литературы:
[1] СТО РусГидро 02.03.77-2011 «Гидроэлектростанции. Продление срока службы основного оборудования в процессе эксплуатации. Нормы и требования».
[2] МУ 1.3.3.99.0038-2009 «Методические указания по диагностике силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и их вводов».
[3] МУ 1.2.1.16.0220-2014 (до 2014г. РД ЭО 0410-02) «Методические указания по оценке состояния и продлению срока службы силовых трансформаторов».
[4] д.т.н. Аксенов Ю.П., Голубев А.В., к.т.н. Завидей В.И., Юрин А.В., Ярошенко И.В. (ООО «ДИАКС», Москва). Результаты длительной периодической диагностики силовых трансформаторов.// Электро. - №1. – 2006. – С.28-35.
[5] Y.P. Aksenov, I. V. Yaroshenko, A. V. Andreev, G. Noé, and Dr. Ignazio Arces, «On-line Hydro and Turbine Generators and Power transformers Diagnostic Methods Synergy Based on Discharge, Vibration Events Measurements and Locations, Pattern Analysis results», 9th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics & Drives, Valencia (SPAIN) 2013.
[6] Yu.P. Aksenov, A. Golubev, N. Davidenko. On-Line & Off-Line Diagnostics for Power Station HV Equipment.// EIC/EMCW’99. – Cincinnati Ohio, USA, october 26-28, 1999.
[7] Y. P. Aksenov, I. Yaroshenko, G. Noe, A. Andreev, “Diagnostic Technology for Transformers: Methods Synergy and Double-Coordinate Location,” IEEE-SDEMPED’ 2009.
[8] N.Kock, B.Coric, and R.Pietsch (ABB High Voltage Technologies, Ltd.), “UHF PD Detection in Gas-Insulated Switchgear – Suitability and Sensitivity of the UHF Method in Comparison with IEC 270 Method”, Electrical Insulation Magazine, Vol.12, N6, p.20-26, November/December 1996.
[9] Standard IEC 60270(2000) "Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов", 3rd edition, 2000-1.
