Способ определения состояния и ресурса изоляции

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки состояния работающих длительное время изоляционных промежутков энергетического оборудования. Согласно изобретению определяют диэлектрические потери изоляции как функции времени (частоты), при этом выбирают и предварительно разряжают изоляционный промежуток, прикладывают рабочее напряжение и через равные промежутки времени измеряют сопротивление изоляции на изоляционном промежутке, по полученным значениям сопротивления R_изм(t) находят ток поляризации i_абс(t) и, умножив каждый результат измерения сопротивления на время, соответствующее моменту его получения, при котором были произведены измерения сопротивления изоляционного промежутка, получают значение коэффициента диэлектрических потерь ε"(t)=i_абс(t)·t, построенную зависимость ε" от времени для частотного диапазона 10^-2-10^-3 последовательно сравнивают с четырьмя предварительно выбранными эталонными кривыми, соответствующими определенному известному эксплуатационному состоянию и величине ресурса контролируемого изоляционного промежутка, затем оценивают степень близости анализируемой зависимости к каждой из реперных кривых. Благодаря этому может быть повышена достоверность оценки состояния и ресурса изоляции. 5 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 различного исполнения, электрические машины и прочее.

Известны способы оценки состояния и ресурса энергетического оборудования, основанные на определении значения выбранной физической величины (тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, величины омического сопротивления R_из [Сви П.М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. М. Энергоиздат, 1988], максимума возвратного напряжения RVM, плотности абсорбционного тока J_абc., величины коэффициента абсорбции k_aбc. [Глинка Т. Диагностика изоляции обмоток электрических машин. Электричество №1, 1998]). Используя коррелированность этих величин с прочностными параметрами или структурой изоляционных материалов, по эмпирическим соотношениям определяют величину прочности изоляционной конструкции в контролируемый момент времени, что в конечном итоге позволяет оценить состояние и оставшийся ресурс времени.

Недостатком таких технических решений является ограниченность единичных значений контролируемых параметров, которые не раскрывают до конца характера поведения материала при выбранном сочетании действующих факторов: температуры, напряжения, влажности и пр., что не позволяет обеспечить требуемую достоверность получаемых оценок.

Известен способ определения состояния изоляционной системы электроустановки (авт. Свид. СССР №1476406, МПК G01R 31/00), 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 невозможность с его помощью прогнозировать ресурс изоляционной системы электроустановки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оценки состояния изоляции и прогнозирования ее ресурса (патент РФ №2044326, кл. G01R 31/00, G01R 31/02, опубл. 1995.09.20). Способ оценки состояния изоляции и прогнозирования ее ресурса заключается в том, что определяют тангенс угла диэлектрических потерь на разных частотах, дополнительно определяют эталонное значение частоты максимума тангенса угла диэлектрических потерь и градуировочные характеристики для образцовой электроустановки при различных температурах, значение частоты максимума тангенса угла диэлектрических потерь для контролируемой электроустановки, 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.

Технической задачей является повышение достоверности оценивания состояния работающих длительное время изоляционных промежутков энергетического оборудования.

Это достигается тем, что в известном способе определения состояния и ресурса изоляции, заключающемся в том, что определяют диэлектрические потери на разных частотах и по градуировочной характеристике эталонного объекта для контролируемого изоляционного промежутка определяют смещение максимума кривой диэлектрических потерь относительно его положения на эталонной зависимости, при этом выбирают и предварительно разряжают изоляционный промежуток, прикладывают рабочее напряжение и через равные промежутки времени измеряют сопротивление изоляции изоляционного промежутка, по полученным значениям сопротивления R_изм(t) находят ток поляризации i_aбc(t) и, умножив его на время, при котором были произведены измерения сопротивления изоляционного промежутка, получают значение коэффициента диэлектрических потерь ε"(t)=i_aбc(t)·t, построенную зависимость ε" от частоты для частотного диапазона 10^-2-10^-3 последовательно сравнивают с четырьмя предварительно выбранными эталонными кривыми, соответствующими определенному известному эксплуатационному состоянию и величине ресурса контролируемого изоляционного промежутка, затем оценивается степень близости анализируемой зависимости к каждой из реперных кривых.

Сущность технического решения способа определения состояния и ресурса изоляции поясняется чертежами, где на фиг.1 показано смещение максимума реперных кривых ε"(t) (кривые - 2, 3, 4, 5) в зависимости от эксплуатационного состояния изоляционного промежутка, продемонстрировано сравнение экспериментальной зависимости ε"(t) (кривая 1) с этими реперными кривыми и показана возможность объективной оценки (диаграмма 6) состояния изоляционного промежутка, на фиг.2 приведена зависимость сопротивления участка изоляции от времени приложенного напряжения, на фиг.3 показана зависимость ε"(t)=i_aбc(t)·t для исследуемого изоляционного промежутка, на фиг.4 продемонстрирована схема реализации способа определения состояния и ресурса изоляции, на фиг.5 показана степень близости исследуемой зависимости ε"(t)=i_aбc(t)·t (кривая 1) к каждой из реперных кривых (кривые - 2, 3, 4, 5).

Схема для реализации способа определения состояния и ресурса изоляции содержит соединенные последовательно блок выбора рабочего напряжения, состоящий из параллельно включенных переключателя подаваемого напряжения 1, потенциометра 2 и вольтметра 3, контролирующего подаваемое через ключ 4 на изоляционный промежуток 5 рабочее напряжение, блок сравнения сопротивления изоляционного промежутка 5 с эталонным сопротивлением R₀ 6, блок регистрации результатов контроля 7 и блок обработки полученных результатов 8.

При изучении спектров поляризационных токов, протекающих в объеме контролируемого изоляционного промежутка 5, установлено, что наличие совокупности разнородных по своим электрическим свойствам материалов в нем приводит к появлению ярко выраженной структурной поляризации Дебаевского типа. В таком случае на зависимости ε"(t)=t·i_aбc(t) (кривая 2) наблюдается один четко выраженный максимум. В начальной стадии старения такой изоляционной конструкции наблюдается заметное изменение параметров работающих в промежутке материалов, что приводит к изменению не только величины, но и положения релаксационного максимума. Однако это изменение не имеет четко выраженной тенденции и не может быть положено в основу оценки состояния. Напротив, при значительном старении изоляционной системы в ее твердой компоненте появляются микротрещины, микрополости, разрывы сплошности, которые ведут себя, как дополнительные элементы структурной поляризации, что проявляется в появлении дополнительного максимума на зависимости ε"(t) (кривая 3). И если концентрация таких вновь образованных элементов структурной поляризации становится значительной, то размеры и положение второго максимума становятся доминирующими (кривые 4, 5), свидетельствуя о том, что состояние изоляционного промежутка 5 является угрожающе опасным и требуется срочная разработка и реализация корректирующих мероприятий вплоть до вывода из работы такого энергетического оборудования.

Выявленные физические закономерности изменения ε"(t) за время эксплуатации энергетического оборудования позволяют определить состояние и ресурс работающей изоляционной конструкции.

Сущность этого способа заключается в том, что экспериментально измеряют спектр поляризационного тока в низком частотном диапазоне, при котором все процессы, определяющие ресурс изоляции, успевают проявиться, представляется зависимостью ε"(t), также имеющей максимум. Полученную характеристику ε"(t) (кривая 1) последовательно сравнивают с четырьмя предварительно выбранными эталонными кривыми (кривые 2, 3, 4, 5), каждая из которых получена опытным путем и соответствует определенному эксплуатационному состоянию контролируемого изоляционного промежутка 5: первая зависимость (кривая 2) соответствует состоянию нового изделия, вторая зависимость (кривая 3) характеризует начальную стадию старения изделия, третья - (кривая 4) - состаренное изделие, четвертая - (кривая 5) - изделие находится в состоянии отказа. Далее определяют и количественно оценивают степень близости полученной зависимости ε"(t) к каждой из эталонных характеристик, что позволяет сформировать представление о состоянии контролируемого оборудования и величине его остаточного ресурса.

Рассматриваемые реперные кривые в данном случае используются в качестве системы отсчета, представленной в виде некоторой шкалы баллов (градуировочной кривой).

Описываемый способ оценки состояния изоляционного промежутка, как последовательность технологических операций, реализуется следующим образом.

Изоляционный промежуток, подлежащий контролю, предварительно разряжается в течение 10 мин. Измеряется зависимость величины сопротивления изоляционного промежутка от времени воздействия приложенного рабочего напряжения R_из.(t). Полученная зависимость R_из.(t) с помощью соотношения

преобразуется в зависимость ε"(t)=t·i_aбc.(t). Устанавливается степень близости полученной таким образом зависимости ε"(t) к каждой из реперных кривых для идентификации состояния изоляционного промежутка.

Схема реализации способа определения состояния и ресурса изоляции работает следующим образом.

От источника питания через переключатель 1 подается напряжение, потенциометром 2 выбирается рабочее напряжение, которое контролируется вольтметром 3. Через переключатель 4 это напряжение подается на изоляционный промежуток 5 и через равные промежутки времени измеряется сопротивление R_изм, которое сравнивается с эталонным сопротивлением R₀ 6. Полученные результаты фиксируются в блоке регистрации 7.

Для проведения идентификации в блоке обработки результатов 8 каждая кривая из совокупности реперных ε"(t)_{реперн.} задается 12 точками, определяющими ее положение в плоскости выбранных координат. Каждой точке в соответствии с ее положением в данной плоскости координат присваивается коэффициент весомости а_ij. Массив коэффициентов весомости точек, принадлежащих совокупности реперных кривых, формируется в виде матрицы весовых коэффициентов Ma_i,j

а измеренная зависимость ε"(t)=i_aбc(t)·t для контролируемого изоляционного промежутка представляется в виде вектора X(t), который определяет положение каждой точки ε"(t) в плоскости тех же самых координат. В результате вектор Aj, представляющий собой произведение Aj=Ма_i,j·X(t), позволяет соотнести кривую X(j) с каждой кривой из семейства эталонных и тем самым идентифицировать состояние изоляционной системы контролируемого электротехнического устройства. Для экспериментальных результатов (фиг.2, фиг.3) вектор Aj имеет следующий вид

В рассматриваемом случае значение A₁ отождествляется с новой изоляционной системой; A₂ - системой бывшей в эксплуатации, но сохранившей свои эксплуатационные свойства; А₃ - это состаренная, а А₄ - система, находящаяся в критическом состоянии (фиг.5). Так как значения А₃ и А₄ близки по величине, то данная изоляционная система является не только состаренной, но и по своему состоянию приближается к критическому.

Повышение достоверности оценки состояния и ресурса изоляционного промежутка достигается тем, что на опыте контролируется не только смещение релаксационного максимума, но и уровень деформации всего спектра диэлектрического поглощения, в составе которого при определенном уровне старения может появиться дополнительный релаксационный максимум, величина которого при дальнейшем старении начинает играть доминирующую роль в полном спектре поглощения, представленного зависимостью ε"(t)=i_aбc(t)·t. Именно поэтому величина деформации всего спектра диэлектрического поглощения, обусловленного протеканием поляризационных токов в объеме контролируемого промежутка, действительно является интегральной характеристикой и не зависит от того, явилось ли старение изоляции следствием ее нагрева при неизменной нагрузке или следствием систематических, в том числе и разовых, перегревов.

Использование такого способа, позволяющего по виду поляризационного спектра токов абсорбции контролировать не только зарождение новых структурных нарушений, но и их концентрацию, предоставляет возможность объективно оценивать состояние изоляционного промежутка и его остаточный ресурс, т.е. повысить достоверность оценки состояния и величины ресурса изоляции кабелей и других электроустановок.

Способ определения состояния и ресурса изоляции, заключающийся в том, что определяют диэлектрические потери на разных частотах и по градуировочной характеристике эталонного объекта для контролируемого изоляционного промежутка определяют смещение максимума кривой диэлектрических потерь относительно его положения на эталонной зависимости, отличающийся тем, что выбирают и предварительно разряжают изоляционный промежуток, прикладывают рабочее напряжение и через равные промежутки времени измеряют сопротивление изоляции на изоляционном промежутке, по полученным значениям сопротивления R_изм(t) находят ток поляризации i_абс(t) и, умножив каждый результат измерения сопротивления на время, соответствующее моменту его получения, при котором были произведены измерения сопротивления изоляционного промежутка, получают значение коэффициента диэлектрических потерь ε"(t)=i_абс(t)·t, построенную зависимость ε" от времени для частотного диапазона 10^-2-10^-3 последовательно сравнивают с четырьмя предварительно выбранными эталонными кривыми, соответствующими определенному известному эксплуатационному состоянию и величине ресурса контролируемого изоляционного промежутка, затем оценивают степень близости анализируемой зависимости к каждой из реперных кривых.