Фотоэлектронный способ и прибор для регистрации коронных разрядов на высоковольтном электрооборудовании

Актуальность работы.

В электроэнергетике надежность электроснабжения является одной из самых важных характеристик работы, определяющая в свою очередь множество других параметров электроэнергетических систем и сетей, в том числе стоимость оборудования, ремонтных и эксплуатационных расходов. В свою очередь надежность как характеристика электроснабжения зависит от целого ряда условий (например, от качества электроэнергии, надежности применяемого оборудования и т. д.).

Электроэнергетическая система (ЕЭС России) является сложной, распределенной и постоянно изменяющейся системой, реновация и модернизация в которой происходит достаточно низкими темпами, что обусловлено высокой стоимостью электроэнергетического оборудования и проектных изысканий.

В современной ЕЭС России, согласно данным ФСГС, степень физического изношенного оборудования в системе составляет от 50% до 60%, причем старение основных фондов в электроэнергетике продолжается. Проблема физического износа усугубляется высоким уровнем их морального износа, особенно это касается генерирующих мощностей. Хотя необходимо отметить, что физический и моральный износ оборудования в электроэнергетике не пропорционален фактической работоспособности.

Очевидно, что замена изношенных фондов новыми является весьма капиталоемким вариантом развития и с практической точки зрения не может рассматриваться как самый оптимальный. С помощью относительно недорогих мероприятий можно существенно продлить срок службы основных фондов в электроэнергетике.

Существенного снижения затрат на обеспечение работоспособности энергоемких предприятий можно добиться переходом на обслуживание и ремонт оборудования по фактическому состоянию. Такой переход 2 невозможен без эффективного контроля состояния оборудования с обнаружением всех потенциально опасных дефектов на стадии зарождения и долгосрочным прогнозом их развития. Только глубокая диагностика оборудования' может дать возможность своевременно подготовиться к его обслуживанию или ремонту.

Таким образом, одним из самых эффективных способов продления срока службы оборудования является его техническая диагностика. Она позволяет выявить дефекты оборудования (в том числе скрытые) на ранних стадиях и предотвращать возникновение аварий и ненормальных режимов работы. Кроме того, диагностика позволяет наиболее эффективно и экономично спланировать ремонтные и профилактические работы на электроэнергетическом оборудовании (ЭО), соответственно снизить затраты на обеспечение работоспособности, объективно обосновывать проведение модернизации и технической политики на предприятиях.

Под технической диагностикой (ТД) понимают установление и изучение технического состояния объектов для предсказания режимов их работы и определения остаточного ресурса технической системы. Понятие технической диагностики тесно связано с понятием неразрушающего контроля.

Неразрушающий контроль (НК) — это разработка и применение технических методов исследования материалов или деталей, узлов, компонентов изделий с целью оценки их целостности, свойств, состава и измерения геометрических характеристик путем обнаружения дефектов, измерения их параметров способами, не ухудшающими последующую эксплуатационную пригодность и надежность.

Исходя из физических явлений, на которых основан НК, принято выделять девять его основных видов: акустическийвихре-токовыймагнитныйэлектрическийрадиоволновойтепловойоптическийрадиационныйс применением проникающих веществ.

Оптический НК основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с объектом контроля. Это взаимодействие связано с поглощением, отражением, рассеянием, дисперсией, поляризацией и др. оптическими эффектами. Данный метод применяют для измерения геометрических параметров изделий, контроля состояния поверхности и обнаружения поверхностных дефектов. Оптические методы имеют очень широкое применение благодаря большому разнообразию способов получения первичной информации. Возможность их применения для наружного контроля не зависит от материала объекта. Недостатками оптических методов являются узкий диапазон контролируемых параметров, жесткие требования к состоянию окружающей среды и чистоте поверхности изделия [1,2].

Коронный разряд — разновидность тлеющего разрядавозникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При коронировании эти электроды окружены характерным свечением, получившим название короны, или коронирующего слоя.

Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, но наиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного, и часто проявляется на остроконечных предметах (например, вокруг проводов ВЛЭП, другого ЭО).

В отсутствии видимых осадков и при нормальном эксплуатационном напряжении коронный разряд на проводах линий высокого напряжения существует лишь в отдельных точках проводов, где на их поверхности имеются какие-либо неоднородности (царапины, выбоины и т. п.) — это т.н. местный коронный разряд.

Местный коронный разряд обычно связан с местным дефектом, который при соответствующих условиях может стать или уже является причинной различного рода неполадок или даже отключения всей электроустановки.

Детектирование таких разрядов может резко повысить надежность электроснабжения и уменьшить потери на коронный разряд [3].

Оптический способ детектирования коронных разрядов на ЭО является самым распространенным способом НК, связанным с определением точек местных корон на ЭО станций и подстанций, ВЛЭП. А иногда и единственным способом определения неисправностей и предупреждения аварийных отключений высоковольтного ЭО. На его основе разработан ряд отечественных и зарубежных приборов, которые позволяют проводить ультрафиолетовую (УФ) диагностику, в том числе и в светлое время суток. Главным недостатком всех таких приборов (УФ-камер, УФ-дефектоскопов) является применение дорогих электронно-оптических преобразователей, фотокатод которого оптимизирован под УФ-диапазон оптического излучения. К тому же подобные разработки предусматривают применение микширования сигналов от излучения в видимой области и усиленных сигналов от излучения в ультрафиолетовой области спектра, что также обуславливает повышенную стоимость и весьма ограниченное, распространение таких приборов1 в соответствующих службах энергосистем. Задача создания отечественного и недорогого прибора, позволяющего быстро и безопасно провести УФ-диагностику ЭО в любое время суток является актуальной.

Объектом исследования данной работы являются коронные разряды на высоковольтном ЭО, работающем на стандартной промышленной частоте 50 Гц.

Предметом исследования данной работы является фотоэлектронный способ регистрации коронных разрядов на высоковольтном ЭО и прибор на его основе, регистрирующий коронные разряды переменного напряжения в любое время суток.

Цель работы: Разработка фотоэлектронного способа регистрации коронных разрядов на высоковольтном ЭО и прибора на его основе, определяющего места коронирования на-высоковольтном ЭО в любое время суток.

Задачи исследования.

1. Рассчитать и оценить оптические характеристики излучения коронного разряда переменного напряжения, возникающего на высоковольтном ЭО, работающего на стандартной промышленной частоте 50 Гц.

2. Обосновать возможность детектирования коронных разрядов на высоковольтном ЭО, используя свойства и характер излучения данного вида разряда на высоковольтном ЭО, работающего на стандартной промышленной частоте 50 Гц.

3. Разработать и создать макет фотоэлектронного прибора, предназначенного для детектирования коронных разрядов на высоковольтном ЭО в любое время суток.

4. Провести лабораторные и натурные испытания макета фотоэлектронного прибора с целью подтверждения работоспособности предложенного способа, а также собранных оптических и электрических схем макета.

5. Показать возможность проведения технической диагностики высоковольтного ЭО на реальных электроэнергетических установках (ЭУ), в том числе в полевых условиях, с помощью разработанного макета фотоэлектронного прибора.

Научная новизна работы.

В данной диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

Разработан фотоэлектронный способ регистрации коронных разрядов на высоковольтном ЭО, работающем на стандартной 6 промышленной частоте 50 Гц, в любое время суток, основанный на выявлении 100-Гц гармоники УФ-излучения коронных разрядов преимущественно в области солнечно-слепого диапазона.

2. Разработана схема дополнительной цифровой фильтрации излучения коронного разряда в любое время суток, позволяющая повысить чувствительность регистрации корон вплоть до минимального значения регистрируемого заряда 3 нКл на расстоянии 3,5 м.

3. Разработан макет фотоэлектронного прибора, позволяющего детектировать точки коронных разрядов на высоковольтном ЭО в любое время суток.

Практическая значимость работы.

1. Предложенный фотоэлектронный способ регистрации местных коронных разрядов на высоковольтном ЭО позволяет безопасно проводить УФ инспекцию оборудования на ЭУ без их отключения, тем самым: повышается надежность электроснабжения и по возможности предотвращаются аварийные отключения ЭУ.

2. Проведенные лабораторные и натурные испытания макета фотоэлектронного прибора показали работоспособность предложенного способа детектирования коронных разрядов на высоковольтном ЭО в любое время* суток.

3. Использование стандартных и общедоступных схем и элементов при построении макета прибора позволит организовать массовый выпуск недорогих фотоэлектронных приборов, предназначенных для детектирования коронных разрядов на высоковольтном ЭО в любое время суток.

Практические результаты работы.

1. Создан макет фотоэлектронного прибора, осуществляющий детектирование точек коронных разрядов на высоковольтном ЭО в любое время суток.

2. Впервые произведено определение точек местных коронных разрядов на высоковольтном ЭО в светлое время суток на действующих ЭУ без использования дорогостоящих зарубежных устройств УФ-диагностики.

На защиту выносятся;

1. Фотоэлектронный способ регистрации коронных разрядов, основанный на оптоэлектронной фильтрации излучения коронных разрядов на высоковольтном ЭО, работающем на стандартной промышленной частоте 50 Гц.

2. Способ дополнительной цифровой фильтрации излучения коронного разряда, позволяющего повысить чувствительность фотоэлектронного способа.

3. Макет фотоэлектронного прибора, детектирующего местные коронные разряды на действующих ЭУ в любое время суток.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов, содержащихся в диссертации, обеспечиваются серией проведенных лабораторных экспериментов с макетом прибора, а также подтверждаются натурными испытаниями, проведенными на ряде действующих ЭУ, принадлежащих ОАО «Сетевая компания» (РТ) и ОАО «Генерирующая компания» (РТ), II К-16. Наличие местных коронных разрядов на высоковольтном ЭО, детектированных макетом прибора, было подтверждено их последующим фотографированием в темное время суток.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX Аспирантско-магистерском научном семинаре, посвященный «Дню Энергетика» (Казань, 2005 г.), Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «XVI Бенардосовские чтения» (Иваново, 2011 г.), 23-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в 8 энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2011).

Публикации.

Основное содержание работы отражено в 4 научных публикациях, включая 2 статьи в ведущем рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК РФ, 2 — в материалах докладов международной и всероссийской научных конференций. Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 01 апреля 2011 г. (Заявка № 2 011 110 483/28 (15 316), дата подачи заявки 18.03.2011 г.).

Личный вклад автора.

Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии соискателя. Автор принимал участие в разработке фотоэлектронного способа регистрации местных коронных разрядов на высоковольтном ЭО, разработал и собрал макет фотоэлектронного прибора, выполнил лабораторные испытания и натурные эксперименты макета прибора, а так же анализ экспериментальных данных.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 — Приборы, и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Представленные в ней результаты соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами», п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии, двух приложений. Работа без приложений изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 99 рисунков и 21 таблицу. Библиографический список включает 95 наименований и 4 наименования работ автора, опубликованных по теме диссертации.

4.6. Выводы.

Натурные эксперименты в реальных условиях, на действующих электроэнергетических объектах показали [ЗА, 4А]:

1. Макет фотоэлектронного прибора позволяет зафиксировать местную корону на действующих ЭУ, как в ночное и вечернее время суток, так и днем, при солнечной засветке.

2. Детектирующая способность макета фотоэлектронного прибора зависит от световой «засветки» точек короннирования на ЭУ источниками света промышленной частоты, т. е. от наличия и удаленности от ламп накаливания, прожекторов и т. д.

3. Прямопропорциональная зависимость показаний от уровня напряжения на реальных ЭУ (по крайней мере, для ЭУ ин0м=1 Ю кВ и 220 кВ) — наблюдается, но слабая, поскольку показания определяются, прежде всего, интенсивностью короннирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработан фотоэлектронный прибор, который позволяет регистрировать коронные разряды на высоковольтном ЭО в том числе и в светлое время суток, за счет реализации предложенного в диссертационной работе способа регистрации корон. Данный способ основан на использовании преимущественно солнечно-слепого диапазона солнечного излучения (ССД) на поверхности Земли (240−280 нм), а так же дополнительной электронной и цифровой фильтрации сигнала с оптической части по одной из гармоник промышленной частоты 50 Гц, стандартной для всех ЭУ ЕЭС России.

2. Собран макет фотоэлектронного прибора, на основе фотодиода TW30SX фирмы Sander Electronic®, максимальная чувствительность которого настроена на ССД, а так же схем электронной фильтрации первой 100-Гц гармоники сигнала с фотодиода, соответствующей оптическому излучению от местных корон. Для дополнительного подавления помех и выдачи значения на ЖК-индикатор применен микроконтроллер Atmega8 фирмы Atmel®, осуществляющий дополнительную фильтрацию сигнала с электронной части по алгоритму цифрового нерекурсивного фильтра.

3. Проведены лабораторные испытания макета фотоэлектронного прибора с использованием высоковольтной установки «Игла-Плоскость» и аппарата испытательного АИД- 70/50. На основе серий испытаний заключено, что макет прибора позволяет зафиксировать местную корону со способностью обнаружения, зависящей от напряжения на коронирующем элементе, расстояния до коронирующего элемента, и условий окружающей среды. Корреляция между зависимостью мощности излучения коронного разряда от напряжения и зависимостью показаний макета прибора от напряжения на коронирующем элементе равен: ккорел = 0,996.

4. Проведены натурные испытания макета фотоэлектронного прибора на ряде объектов электроэнергетической сети ОАО «Сетевая компания» (РТ) и ОАО «Генерирующая компания» (РТ), ТГК-16. Натурные испытания показали, что макет позволяет выявить точки местных коронных разрядов на действующих ЭУ, в том числе и в светлое время суток.