Полное руководство по акустической детекции частичного разряда

Введение

Частичный разряд в изоляционных системах трансформаторов тока является наиболее надежным ранним предупреждением о приближающемся разрушении изоляции, а обнаружение акустической эмиссии - наиболее практически применимый метод выявления активного частичного разряда в установленных ТТ распределения электроэнергии без вывода оборудования из эксплуатации. ТТ, активно разряжающийся внутри, сообщает о своем ухудшающемся состоянии с помощью ультразвуковых акустических сигналов, распространяющихся через изоляционную среду и корпус - сигналов, которые можно обнаружить с помощью пьезоэлектрический датчик¹ оборудование, интерпретируемое с помощью правильной методологии и действующее с помощью правильных мер по техническому обслуживанию, и все это без единой минуты запланированного простоя.

Прямой ответ таков: акустическое обнаружение частичных разрядов в распределительных ТТ работает путем обнаружения ультразвуковых волн давления - обычно в диапазон ультразвуковых частот² - Этот метод уникально ценен для обслуживания установленных ККТ, поскольку он неинвазивен, не требует отключения вторичных цепей, может выполняться в условиях повышенного напряжения и предоставляет информацию о местоположении, которую не могут предоставить электрические методы измерения частичных разрядов, что позволяет командам технического обслуживания различать внутренние дефекты изоляции ККТ, требующие срочной замены, и внешние источники короны, которые не требуют вмешательства в ККТ.

В этом руководстве, предназначенном для инженеров по техническому обслуживанию распределительных сетей, специалистов по оценке состояния изоляции и команд по надежности, отвечающих за управление парком ККТ, представлена полная техническая база для обнаружения частичных разрядов с помощью акустической эмиссии - от физики генерации акустического сигнала до выбора датчика, методики измерений, интерпретации сигнала и принятия решений по техническому обслуживанию.

Оглавление

• Что такое частичный разряд в системах изоляции КТ и как работает детектор акустической эмиссии?
• Как выбрать и расположить датчики акустической эмиссии для обнаружения частичных разрядов в КТ?
• Как провести структурированную кампанию по измерению акустического частичного разряда на КТ?
• Как интерпретировать сигналы акустической эмиссии и принимать решения по обслуживанию КТ?
• Вопросы и ответы об акустическом обнаружении частичных разрядов в ТТ распределения электроэнергии

Что такое частичный разряд в системах изоляции КТ и как работает детектор акустической эмиссии?

Частичный разряд - это электрический разряд, который преодолевает только часть изоляции между проводниками - он не образует полного пробоя между высоковольтным проводником и землей, но постепенно разрушает изоляционный материал вокруг места разряда, пока в конечном итоге не образуется полный пробой. В системах изоляции ТТ - будь то бумажно-масляная, эпоксидная с литой смолой или газовая SF₆ - частичный разряд является основным механизмом деградации, превращающим систему изоляции из исправной в неисправную за время, которое варьируется от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от интенсивности разряда и типа изоляции.

Физика частичных разрядов в изоляции СТ

Частичный разряд возникает в местах слабой изоляции - пустотах в литой смоле, газовых пузырьках в бумажно-масляной изоляции, границах расслоения, металлических включениях и областях с локально повышенным напряжением электрического поля. В этих местах локальное электрическое поле превышает пробивную прочность изоляционной среды внутри дефекта - обычно это заполненная газом пустота, диэлектрическая прочность которой намного ниже, чем у окружающей твердой или жидкой изоляции.

Когда локальное поле превышает силу пробоя пустоты, в ней возникает быстрый разряд - длительностью от наносекунды до микросекунды. Этот разряд:

• Электрический: Создает импульс тока в первичной цепи и соответствующий индуцированный импульс во вторичной цепи - основа электрических методов измерения ЧР
• Термически: Накапливает энергию в месте разряда, карбонизируя окружающий изоляционный материал и увеличивая пустоту в течение нескольких циклов разряда
• Акустически: Создает быстрое локальное изменение давления - механический импульс, который распространяется от места разряда в виде акустической волны через окружающую изоляционную среду и корпус СТ

Акустическая эмиссия при частичном разряде представляет собой широкополосный импульс давления со значительным содержанием энергии в ультразвуковом диапазоне частот 20-500 кГц. Сигнал распространяется через изоляционную среду ККТ - масло, смолу или газ - и через стенки корпуса ККТ, затухая с расстоянием и отражаясь от границ раздела материалов, пока не достигнет внешней поверхности ККТ, где может быть обнаружен контактным пьезоэлектрическим датчиком.

Ключевые технические параметры, определяющие акустическое обнаружение частичных разрядов КТ:

• Диапазон частот акустической эмиссии: 20-300 кГц для внутреннего БП КТ; пиковая энергия обычно при 80-150 кГц для бумажно-масляной изоляции КТ; 100-250 кГц для изоляции КТ из литой смолы
• Скорость распространения сигнала: 1 400-1 500 м/с в трансформаторном масле; 2 500-3 500 м/с в эпоксидной смоле; 5 100 м/с в стальном корпусе - разница в скоростях позволяет определить местонахождение источника с помощью методов определения времени прибытия
• Затухание сигнала: 6-12 дБ на 100 мм в масле; 15-25 дБ на 100 мм в литой смоле; затухание увеличивается с ростом частоты - более низкочастотные компоненты распространяются дальше от источника разряда
• Порог обнаружения: Минимальный обнаруживаемый эквивалент заряда ЧР приблизительно 100-500 пК для контактных пьезоэлектрических датчиков на корпусе КТ; электрическое измерение ЧР более чувствительно (5-10 пК), но требует доступа к вторичной цепи
• Частотная характеристика датчика: Широкополосные пьезоэлектрические датчики: Плоская характеристика 20-300 кГц; резонансные пьезоэлектрические датчики: пиковая чувствительность при 150 кГц ±20%; резонансные датчики обеспечивают более высокую чувствительность на расчетной частоте, но пропускают сигналы вне резонансного диапазона
• Применимые стандарты: IEC 60270³ (измерение электрического ЧСС - эталонный метод), IEC 62478 (методы высоковольтных испытаний - акустическая эмиссия), IEC 60599 (анализ растворенного газа - дополнительный метод диагностики)

Преимущество обнаружения акустической эмиссии перед электрическим измерением ЧР при обслуживании в полевых условиях:

Электрическое измерение ЧР в соответствии с IEC 60270 является эталонным методом количественной оценки ЧР - оно обеспечивает калиброванные измерения заряда в пикокулометрах и является методом, используемым для заводских приемочных испытаний. Однако электрическое измерение ЧР в полевых условиях требует доступа к вторичной цепи ТТ, калиброванного конденсатора связи и бесшумной среды измерения - условия, которые редко достижимы на подстанции распределения электроэнергии под напряжением. Обнаружение акустической эмиссии требует только физического доступа к поверхности корпуса ТТ - оно может быть выполнено при полностью включенном ТТ, под нагрузкой, без каких-либо изменений во вторичной цепи и в присутствии электромагнитного шума, который делает электрическое измерение ЧР непрактичным в полевых условиях.

Как выбрать и расположить датчики акустической эмиссии для обнаружения частичных разрядов в КТ?

Выбор и расположение датчика являются двумя наиболее влиятельными переменными в качестве акустического обнаружения ЧР - правильно выбранный датчик в неправильном положении пропустит внутренние сигналы ЧР, а правильно расположенный датчик с неправильной частотной характеристикой обнаружит внешние помехи, а не внутренний разряд.

Выбор датчика для акустического обнаружения ЧР при КТ

Пьезоэлектрические контактные датчики (первичный метод):
Контактные пьезоэлектрические датчики прижимаются к поверхности корпуса ККТ и обнаруживают акустические волны, проходящие через стенку корпуса. Они обеспечивают самую высокую чувствительность для обнаружения внутреннего ЧР и являются стандартным методом акустического обследования ККТ на предмет ЧР.

Критерии отбора:

• Частотный диапазон: 50-200 кГц для КТ, погруженных в масло; 80-300 кГц для КТ из литой смолы - более высокое затухание смолы требует более высокой частотной чувствительности для обнаружения сигналов от источника разряда до того, как они затухнут до уровня шума
• Чувствительность: Минимум -65 дБ на 1 В/мкбар для надежного обнаружения источников ЧР на расстоянии до 300 мм через масло; минимум -55 дБ для применения в литой смоле
• Совместимость с корпусом: Магнитная монтажная база для ферромагнитных корпусов ККТ - обеспечивает постоянную силу сцепления и повторяемое позиционирование датчика для мониторинга трендов; клеевое соединение для неферромагнитных корпусов

Ультразвуковые датчики воздушного базирования (дополнительный метод):
Бесконтактные ультразвуковые датчики обнаруживают воздушную акустическую эмиссию от поверхностной короны и внешних источников ЧР. Они используются для отличия внешней короны, которая создает сильные воздушные сигналы, но слабые контактные сигналы, от внутреннего ЧР, который создает сильные контактные сигналы, но слабые воздушные сигналы.

Позиционирование датчиков для различных типов ККТ

Масляные томографы (фарфоровые или композитные втулки):

• Основное положение датчика: Нижняя стенка резервуара, 50-100 мм над днищем резервуара - акустические сигналы от внутренних источников ЧР распространяются вниз и концентрируются у днища резервуара; это положение обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум для обнаружения внутренних ЧР
• Положение вторичного датчика: Середина стенки резервуара под углом 90° к первичному датчику - обеспечивает двухмерное определение местоположения источника путем сравнения времени прибытия
• Избегайте: Поверхность втулки - внешняя корона на поверхности втулки создает сильные акустические сигналы, которые будут маскировать внутренние сигналы PD, если датчик расположен на втулке

Литая смола CT (с эпоксидной инкапсуляцией):

• Основное положение датчика: Основание корпуса ККТ, непосредственно на поверхности эпоксидной смолы - литая смола имеет более высокое акустическое затухание, чем масло, что требует размещения датчика как можно ближе к предполагаемому месту расположения источника ЧР (обычно к месту соединения высоковольтного проводника или к месту соединения сердечника со смолой)
• Расположение вторичных датчиков: С интервалом в 120° по окружности корпуса КТ - обеспечивает трехточечное расположение источника для КТ с капсулой из смолы
• Соединительная среда: Акустический связующий гель обязателен для литой смолы - шероховатость поверхности эпоксидной смолы создает воздушные зазоры, которые сильно ослабляют высокочастотные сигналы без связующего геля

Проверка качества соединения

Перед записью измерений ЧСС проверьте качество акустической связи:

$SNR_{coupling} = 20 \times \log_{10}\left(\frac{V_{сигнал}}{V_{шум}}\right)\geq 6 \text{ dB}$

Нанесите разрыв грифеля карандаша (источник Hsu-Nielsen) на поверхность корпуса ККТ на расстоянии 100-200 мм от датчика - это создаст широкополосный акустический импульс, который проверит правильность соединения датчика и целостность пути сигнала. Правильно подключенный датчик покажет чистый импульсный отклик с SNR ≥ 6 дБ над уровнем фонового шума.

Как провести структурированную кампанию по измерению акустического частичного разряда на КТ?

Структурированная кампания по измерению акустического ЧР для парка распределительных СТ требует определенного протокола измерений, который позволяет сравнивать между СТ, между периодами измерений, а также между тестируемым СТ и известным здоровым эталоном - поскольку абсолютные уровни акустических сигналов бессмысленны без контекста; именно относительные уровни и тенденции выявляют ухудшение изоляции.

Шаг 1: Установите базовые показатели

Прежде чем акустическое обнаружение ЧР сможет выявить ухудшение состояния ККТ, необходимо провести базовые измерения для каждой ККТ в парке при заведомо здоровых условиях:

• Зафиксируйте исходный уровень при вводе в эксплуатацию или последнее известное здоровое состояние: Измерьте и задокументируйте уровень акустического сигнала, спектр частот и фазовую диаграмму для каждого ККТ во время ввода в эксплуатацию или сразу после подтвержденного испытания здоровой изоляции
• Документируйте условия измерений: Регистрируйте первичное напряжение, первичный ток, температуру окружающей среды и погодные условия - уровни акустических сигналов ЧР зависят от напряжения (напряжение зарождения ЧР) и температуры (вязкость изоляции влияет на распространение сигнала в масле)
• Создайте справочник флота: Определить статистическое распределение уровней акустических сигналов по парку ККТ - ККТ с уровнем сигнала более чем на 6 дБ выше медианы по парку требуют исследования независимо от абсолютного уровня

Шаг 2: Определите последовательность и частоту измерений

• Ежегодное обследование для КТ старше 15 лет: Деградация изоляции ускоряется во второй половине срока службы ККТ; ежегодные акустические исследования ЧР обеспечивают достаточное временное разрешение для обнаружения ухудшения до того, как оно достигнет критического уровня
• 6-месячный опрос для КТ с известными проблемами с изоляцией: КТ, показавшие повышенный уровень акустики при предыдущем обследовании, КТ с аномалиями анализ растворенных газов⁴ результаты, а также ККТ, испытавшие тепловую перегрузку
• Немедленное обследование после возникновения неисправностей: Любой ТТ, подвергшийся воздействию сквозного тока повреждения, превышающего 50% от номинального тока короткого замыкания, требует акустической оценки ЧР в течение 30 дней - тепловое напряжение тока повреждения может инициировать деградацию изоляции, которая проявляется в виде ЧР в течение нескольких недель после события повреждения

Шаг 3: Выполнение протокола измерений

1. Подготовьте среду для измерений: Запишите уровень окружающего шума, когда датчик подключен к корпусу КТ, но источник сигнала отключен - это определяет уровень шума для расчета SNR; если окружающий шум превышает -40 дБВ в полосе частот измерений, определите и устраните источники шума, прежде чем продолжить работу
2. Приложите датчик в определенных местах: Используйте позиционирование в зависимости от типа КТ, определенное в шаге 1 раздела "Выбор датчика"; нанесите гель для соединения для КТ из литой смолы; проверьте качество соединения с помощью теста источника Hsu-Nielsen
3. Запишите форму волны во временной области: Захват минимум 10 секунд непрерывного акустического сигнала в каждом положении датчика - достаточно для наблюдения нескольких циклов частоты питания и выявления активности ЧР, коррелирующей с фазой
4. Запишите частотный спектр: БПФ-анализ захваченной формы волны; определение пиковых частотных компонентов; сравнение с базовым спектром - новые частотные компоненты выше базового уровня указывают на новую активность БП
5. Запись фазово-разрешенная картина pd⁵: Синхронизация акустических измерений с фазой напряжения силовой частоты с помощью сигнала опорного напряжения; построение графика зависимости амплитуды акустического события от фазового угла - по форме рисунка PRPD можно определить тип источника PD
6. Применяйте анализ времени прибытия нескольких датчиков: При одновременном размещении двух или более датчиков регистрируйте разность времени прихода (TDOA) акустических сигналов между позициями датчиков - это позволяет рассчитать местоположение источника.

Шаг 4: Расчет местоположения источника

Для двух датчиков, расположенных в известных местах на корпусе КТ:

$\Дельта d = v_{нефть} \times \Delta t$

Где $\Дельта t$ измеренная разница во времени прибытия и $v_{oil}$ скорость распространения акустики в нефти (1 450 м/с). Источник лежит на гиперболе, определяемой постоянной разностью длин пути $\Дельта d$ - При использовании трех и более датчиков пересечение нескольких гипербол позволяет определить местоположение точечного источника.

Для ККТ с известной внутренней геометрией точность определения местоположения источника ±20-50 мм достижима при использовании трех датчиков и тщательном измерении TDOA - этого достаточно, чтобы отличить источник ЧР на границе высоковольтного проводника (наиболее критично), на границе сердечника и изоляции (умеренно опасно) и на стенке резервуара (наименее опасно).

Сценарии применения

• Подстанция распределения электроэнергии Ежегодное обследование парка КТ: Контактные пьезоэлектрические датчики на нижней стенке резервуара; исследование амплитуды и спектра одним датчиком; сравнение с базовым уровнем флота; отметьте КТ с увеличением на >6 дБ по сравнению с базовым уровнем для последующего мультисенсорного исследования
• Оценка состояния изоляции старого образца (>20 лет службы): Развертывание нескольких датчиков с анализом PRPD; определение местоположения источника TDOA; корреляция с результатами анализа растворенного газа; принятие решения о техническом обслуживании на основе комбинированных акустических и химических данных
• Оценка изоляции после сбоя КТ: Немедленное исследование одним датчиком в течение 30 дней после события, связанного с повреждением; сравнение с базовым уровнем до повреждения; повышенный уровень сигнала запускает ускоренную программу мониторинга
• Новый базовый уровень ввода в эксплуатацию КТ: Полное мультисенсорное обследование при вводе в эксплуатацию; образец PRPD записан в качестве эталона; частотный спектр задокументирован; результаты сохранены в записи управления активами КТ в качестве базовой линии на весь срок службы

Как интерпретировать сигналы акустической эмиссии и принимать решения по обслуживанию КТ?

Система интерпретации сигналов

Интерпретация акустических сигналов ЧСС требует различения четырех категорий сигналов, которые дают перекрывающиеся амплитудные диапазоны, но имеют четко различающиеся частотные спектры, фазово-резонансные паттерны и последствия для обслуживания:

Категория 1: Выброс внутренней пустоты (наиболее критично)

• Акустические характеристики: Повторяющиеся импульсы с частотой повторения 2× мощности (два разряда за цикл напряжения - один на положительном полуцикле, один на отрицательном); пиковая частота 80-150 кГц; сигнал на контактном датчике сильнее, чем на воздушном датчике
• Модель PRPD: Симметричные кластеры в фазовых положениях 45° и 225° (положительные и отрицательные пики напряжения); распределение амплитуды соответствует гауссову распределению в каждом кластере
• Последствия технического обслуживания: Активное разрушение внутренней изоляции - запланируйте замену в течение следующего планового отключения; увеличьте частоту мониторинга до ежемесячной до замены

Категория 2: Сброс на поверхность (высокая степень тяжести)

• Акустические характеристики: Нерегулярный характер импульсов; корреляция мощности и частоты присутствует, но несимметрична; пиковая частота 50-100 кГц; сигнал обнаруживается как контактными, так и воздушными датчиками
• Модель PRPD: Асимметричные кластеры - сильнее на одном полуцикле, чем на другом; неравномерное распределение амплитуды, указывающее на неустойчивое поведение разряда
• Последствия технического обслуживания: Поверхностная деградация изоляции - обычно на стыке втулка-фланец или на стыке сердечник-смола; требуется замена; не откладывайте до следующего планового останова

Категория 3: Внешняя корона (низкая степень тяжести КТ)

• Акустические характеристики: Непрерывное шипение, а не дискретные импульсы; сильный воздушный сигнал; слабый или отсутствующий контактный сигнал; пиковая частота 20-50 кГц
• Модель PRPD: Концентрация в точках пересечения нуля напряжения (90° и 270°); очень равномерное распределение амплитуды
• Последствия технического обслуживания: Внешняя корона от соседних проводников, изоляторов или оборудования - нет ухудшения изоляции ККТ; исследуйте и устраните внешний источник короны; замена ККТ не требуется

Категория 4: Механические вибрации и помехи (без PD)

• Акустические характеристики: Непрерывный сигнал на частоте питания и гармониках (50 Гц, 100 Гц, 150 Гц); нет корреляции с фазой напряжения; сигнал присутствует на контактном датчике, но не коррелирует с фазой
• Модель PRPD: Равномерное распределение по всем фазовым углам - отсутствие фазовой корреляции
• Последствия технического обслуживания: Механическая вибрация от магнитострикции, ослабленных компонентов или внешних механических источников - не является сигналом ЧР; изоляция не вызывает опасений; при повышенном уровне вибрации исследуйте механический источник

Блок-схема принятия решений по техническому обслуживанию

Корреляция с дополнительными методами диагностики

Акустическое обнаружение ЧР обеспечивает наиболее действенную диагностику в полевых условиях, но ее выводы усиливаются при сопоставлении с дополнительными методами:

• Анализ растворенных газов (DGA): Генерация водорода (H₂) и метана (CH₄) в нефтеналивных КТ подтверждает наличие активного ПД; ацетилен (C₂H₂) указывает на высокоэнергетический дуговой разряд; корреляция между увеличением уровня акустического сигнала и скоростью генерации газа ДГА подтверждает наличие внутреннего источника разряда
• Тепловидение (инфракрасное): Горячие точки на поверхности корпуса КТ указывают на резистивный нагрев от путей следящего разряда; корреляция с акустическими сигналами в том же месте подтверждает активность поверхностного разряда
• Электрическое измерение ЧР (IEC 60270): Обеспечивает калиброванное измерение заряда в пК - требуется для окончательной оценки степени тяжести; выполняется во время планового отключения при обесточенном КТ и доступном вторичном контуре

Распространенные ошибки в толковании

• Отнесение всех повышенных акустических сигналов к внутренним PD: Внешняя корона от соседнего оборудования является наиболее распространенным источником ложноположительных акустических признаков ЧР на распределительных подстанциях; всегда сравнивайте сигналы контактных и воздушных датчиков, прежде чем делать вывод о наличии внутреннего ЧР
• Принятие решений о замене на основе только одного измерения амплитуды: Одно показание повышенной амплитуды без анализа паттерна PRPD, сравнения частотного спектра и корреляции базовой линии не дает достаточных оснований для принятия решения о замене; для оценки акустической ЧСС требуется полный пакет характеристик сигнала
• Игнорирование акустических сигналов ниже “порога тревоги”: Прогрессирующая деградация изоляции приводит к постепенному увеличению уровня акустического сигнала в течение нескольких месяцев или лет; сигнал, который на 3 дБ выше базового уровня сегодня и на 4 дБ выше базового уровня при следующем исследовании, вызывает больше беспокойства, чем сигнал, который на 6 дБ выше базового уровня, но стабилен - тенденция более информативна, чем абсолютный уровень
• Проведение акустического обследования ЧР сразу после переходного процесса напряжения или коммутационного события: Операции переключения вызывают акустические сигналы, которые могут сохраняться в течение нескольких минут в погруженных в масло КТ; выдержите не менее 30 минут после любой операции переключения, прежде чем начинать акустические измерения ЧР

Заключение

Обнаружение частичного разряда с помощью акустической эмиссии является наиболее практически применимым методом мониторинга состояния установленных ТТ распределения электроэнергии - он не требует отключения, доступа к вторичным цепям, специализированной инфраструктуры подстанции, а также модификации ТТ или подключенных к нему цепей. Ценность метода заключается не в обнаружении ЧР в один момент времени, а в установлении базовой линии для каждого ТТ в парке, отслеживании уровня акустического сигнала в течение последовательных кампаний измерений и использовании фазово-разрешенной картины и частотного спектра для отличия внутреннего пустотного разряда, требующего срочной замены, от внешней короны, которая не требует вмешательства в работу ТТ. В управлении парком распределительных трансформаторов акустическая эмиссия, обнаружение частичных разрядов - это инвестиция в техническое обслуживание, которая преобразует реактивное реагирование на отказ трансформатора - аварийную замену после неожиданного пробоя изоляции - в плановое управление активами, где ухудшающиеся трансформаторы выявляются за несколько месяцев до отказа и заменяются во время плановых отключений без риска для безопасности, отключения защиты и затрат на аварийные закупки, связанных с незапланированным отказом трансформатора.

Вопросы и ответы об акустическом обнаружении частичных разрядов в ТТ распределения электроэнергии

1. Понять технологию, лежащую в основе пьезоэлектрических датчиков, используемых в высокочастотном акустическом мониторинге. ↩

2. Исследуйте специфические ультразвуковые частотные характеристики, создаваемые электрическими разрядами. ↩

3. Получите доступ к официальному стандарту IEC 60270 для традиционных измерений частичного электрического разряда. ↩

4. Узнайте, как анализ растворенных газов позволяет определить разрушение изоляции по химическим индикаторам в масле. ↩

5. Подробное руководство по интерпретации фазово-разрешенных паттернов частичных разрядов в диагностических целях. ↩