В настоящее время практическое применение нашли два метода обнаружения дефектов в изоляции элегазовых устройств: по амплитудным спектрам частичных разрядов и регистрацией акустических колебаний при помощи ультразвука. Оба метода разработаны СКТБ ВКТ Мосэнерго совместно с Ленинградским заводом "Электроаппарат", изготавливавшим элегазовое оборудование для подстанции. При пусконаладочных работах на подстанции напряжением 110 кВ с 28 элегазовыми ячейками обнаружение дефектов производилось только по амплитудным спектрам частичных разрядов, так как метод регистрации дефектов при помощи ультразвука к тому времени не был еще достаточно апробирован.
Методика выявления дефектов предусматривала их опознание, классификацию, ликвидацию или локализацию, а также испытание изоляции повышенным напряжением.
Дефекты в элегазовой изоляции различны. Наиболее распространены дефекты в эпоксидных изоляторах, что объясняется недостаточно качественным их изготовлением, включая нарушение режима полимеризации. Заусенцы на металлических деталях, проводящие посторонние частицы появляются в эле- газовой среде вследствие небрежной сборки отдельных узлов и их монтажа. Посторонние частицы в виде металлической пыли могут появиться от трения подвижных контактов в розеточных соединениях.
Как было уже отмечено, каждый вид дефекта характеризуется своими значениями напряжений зажигания и погасания, кажущегося заряда, среднего тока и числом импульсов в секунду частичных разрядов.
Испытания элегазового оборудования показали, что наиболее распространены подвижные частицы. Эти частицы, независимо от причины их появления, дают два вида дефектов: исчезающий и не поддающийся тренированию. Исчезающие дефекты характеризуются исчезновением кажущегося заряда под действием приложенного напряжения, что может быть объяснено стренированием подвижных частиц с течением времени, т.е. Q (0 -*• 0. Другой вид дефекта характерен сохранением определенного по значению кажущегося заряда, который и после тренирования остается практически постоянным, т. е. Q (t) - const. Это постоянство заряда относится, конечно, к одному значению приложенного напряжения, при другом значении этого напряжения значение кажущегося заряда будет другим, хотя и постоянным для этого значения напряжения. Наиболее опасным дефектом, как показала практика монтажа и эксплуатации элегазового оборудования, являются неисчезаю- щие частицы в зоне эпоксидного изолятора или на его поверхности, эти частицы с течением времени не уходят в зону слабого поля и не выпадают в ловушки.
Частичные разряды возникают иногда на фоне коронирующего разряда (короны), в свою очередь, возникающего от каких-либо острых заусенцев, например, заостренный шлиц на крепежном винте, фланце и т. п. Коронный разряд легко определяют, так как его заряд и частота импульсов в большой степени зависят от полярности полуволн переменного напряжения: при отрицательной полуволне кажущийся заряд разряда значительно меньше заряда на положительной полуволне а частота импульсов, наоборот, меньше на положительной полуволне (N_ > N+).
Физические процессы, характеризующие развитие коронного разряда из стримера, делают напряжение зажигания коронного
разряда большим по значению, нежели напряжение зажигания частичного разряда от подвижных частиц, и его заряд на положительной полуволне находится в пределах 100 - 1000 пКл. Коронный заряд представляет собой постепенное стечение зарядов с острия, образуя сначала стримеры, а уж затем переходя в корону.
Подвижные частицы в электрическом поле образуют частичный разряд, как только приложенное напряжение достигнет значения напряжения зажигания: чем ближе подвижные частицы к какому-либо из электродов, тем меньше напряжение зажигания частичного разряда.
Частичные разряды возникают в объеме элегазового оборудования и из-за нарушения геометрических размеров внутри конструкций, изменения конфигурации токоведущих частей и отдельных электродов. Эти дефекты сами по себе слабо искажают электрическое поле и часто не приводят к частичным разрядам, но с уменьшением в отдельных случаях изоляционных расстояний могут привести к уменьшению электрической прочности отдельных элементов оборудования. Следует обратить внимание и на такой факт: в элегазовой изоляции могут образовываться диэлектрические частицы, характеризующиеся очень малым зарядом частичного разряда, а это при наличии проводящих частиц делает практически невозможным регистрацию непроводящих частиц.
Обнаружение дефектов по спектрам частичных разрядов. Порядок подачи испытательного напряжения зависит от состояния изоляции: без дефектов; стренированная, т. е. улучшенная; дефектная.
Каждое испытание состоит из нескольких этапов (рис. 36): этап I- подготовительный;
этап II - выдержка испытательного напряжения; этап III- уменьшение испытательного напряжения; этап ТУ - дополнительное кондиционирование; этап V- испытание напряжением наибольшего значения; этап VI-проверка изоляции перед включением в эксплуатацию после приложения максимального по значению испытательного напряжения.
Контроль значения испытательного напряжения ведется по киловольтметрам верхней ступени источника напряжения. Рассмотрим эти этапы испытаний.
Рис. 36. Этапы электрических испытаний для изоляции: а — без дефектов; б — улучшенной; в — дефектной
Подготовительный этап I. Независимо от состояния изоляции (а состояние изоляции до испытаний нам практически неизвестно) на этом этапе испытательное напряжение подается на испытуемый объект ступенями. Это позволяет достаточно быстро отбраковать грубые дефекты, облегчает тренировку элегазовой изоляции во времени и фиксирование процессов электрического старения в изоляции.
Значение испытательного напряжения по ступеням определяется величиной напряжения зажигания первых частичных разрядов. Испытательное напряжение сначала увеличивается с нуля до напряжения появления первых разрядов, регистрируемых по осциллографу. На этой ступени напряжения измеряется прибором MUT-8 и осциллографом кажущийся заряд, а спектр частичного разряда записывается анализатором (типа АИ-128, АИ-256 и др.), равно как его амплитуда, число импульсов N на положительной и отрицательной полуволнах. Если с течением времени на этой ступени испытательного напряжения частичные разряды исчезают, т. е. частицы стренировались и ушли, таким образом, из поля, характеристики разрядов Q, N и I уменьшаются, то время выдержки изоляции на этой ступени определяется временем, необходимым для исчезновения кажущегося заряда, т. е. его уменьшения до нуля (Q = 0).
Затем испытательное напряжение увеличивается до значения напряжения следующей ступени, опять производится тренирование частичных разрядов, и снова измеряются характеристики вновь возникших частичных разрядов. Таким образом, напряжение поднимается тремя-четырьмя ступенями до значения 1,5 [/ф.
Если при увеличении испытательного напряжения до значения рабочего напряжения, равного обычно £/ф, частичные разряды не регистрируются, т. е. их нет, то на этой ступени напряжения изоляция всегда тренируется в течение нескольких (5- -10) минут, чтобы убедиться в действительном отсутствии частичных разрядов. Это требование диктуется условием: элегазовая изоляция считается удовлетворительной при отсутствии частичных разрядов на рабочем напряжении, т. е. Q = 0. Так как в этом надо обязательно убедиться, требуется приложение к изоляции напряжения во времени.
После испытания изоляции на ступени рабочего напряжения £/ф испытательное напряжение увеличивают ступенями до значений соответственно 1,15[/ф и 1,5 L/ф , и на каждой ступени изоляция тренируется и измеряются характеристики (Q, N, I) частичных разрядов. Время приложения напряжения на каждой ступени испытательного напряжения определяют характером стабилизации частичных разрядов. По достижении стабилизации, что определяют постоянством кажущегося заряда (Q- = const) частичных разрядов, время выдержки испытательного напряжения определяется лишь временем, необходимым для измерения и регистрации всех параметров частичных разрядов на данной ступени напряжения.
Этап длительного тренирования (Л) производится в течение 30 мин; на ступени напряжения 1,5[/ф измеряют все параметры имеющихся частичных разрядов, определяют вид дефекта по их спектру и характер проявления дефекта во времени. Выявляют места дефектов при помощи акустических датчиков, устанавливаемых на поверхности корпусов элементов элегазового оборудования.
На этом этапе предварительно решают вonpoc о возможности включения элегазового оборудования в эксплуатацию. Учитывают при этом наличие частичных разрядов по эпоксидным изоляторам или вблизи них как наиболее опасный вид дефекта.
Этап снижения напряжения (Ш). Производят плавное уменьшение значения испытательного напряжения до уровня ступеней, на которых измеряют значения напряжений погасания частичных разрядов, при этом сравнивают значения напряжений зажигания и погасания разрядов при одинаковых значениях заряда Q частичных разрядов.
Испытания на этапе снижения напряжения позволяют принять окончательное решение о состоянии изоляции элегазового оборудования, его включении или переборке и устранении дефектов.
Если после I - III этапов изоляцию признают хорошей и пригодной к эксплуатации, то производят испытание изоляции наибольшим по значению испытательным напряжением, определяемым программой испытания, согласованной заводом-изготовителем КРУЭ.
Этап приложения наибольшего испытательного напряжения (V)заключается в одноминутном приложении испытательного напряжения значением 180 кВ для КРУЭ-110 (320 кВ для КРУЭ-220). Напряжение увеличивают плавным подъемом до значения (Уисп с последующим плавным его уменьшением. Выдержки времени на наибольшем значении напряжения практически нет, контроль частичных разрядов не производят.
Этап проверки изоляции после приложения наибольшего испытательного напряжения (VI) проводят для того, чтобы убедиться в отсутствии новых дефектов. После приложения (7ИСП могут появиться новые дефекты, не выявленные ранее из-за недостаточной напряженности поля в месте дефекта. Напряжение плавно увеличивают до значения l^l/ф, затем также плавно уменьшают. Измеряют напряжения зажигания и погасания частичных разрядов и производят выявление по осциллографу характера дефекта. Время выдержки испытательного напряжения на этом этапе не нормируют.
Этап дополнительного кондиционирования (IV) проводят в случаях, если после подготовительных этапов I-III возникают сомнения в результатах испытаний. Цель этого этапа испытания - ускорить процесс развития дефекта и "сжечь" его при повышенной напряженности поля. Для этого испытательное напряжение плавно увеличивают до 125 кВ (для КРУЭ-110) и так же плавно уменьшают, при этом измеряют напряжения зажигания и погасания частичных разрядов и регистрируют характер дефекта, после этого решают вопрос о пригодности испытуемого оборудования к работе. В случае признания оборудования дефектным производят его переборку, устраняют дефекты, и оборудование испытывают вновь.
Ультразвуковой метод дефектоскопии в настоящее время является основным для определения места расположения дефекта в элегазовом оборудовании. Метод внедрен в практику СКТБ ВКТ Мосэнерго (руководитель работ инж. Ю. В. Шматов), им же разработано и применено регистрирующее ультразвуковое устройство (РУЗ).
Устройство регистрирует колебания оболочки, вызванные ударом отдельных частиц или изменением состояния элегаза под воздействием частичного разряда или короны внутри полости контролируемого элемента оборудования. Эти колебания преобразуются пьезоэлектрическим датчиком в электрический сигнал. Датчик может работать в диапазоне частот от 10 до 100 кГц. При низких частотах во избежание большого изменения падения напряжения на датчике нагрузочное сопротивление датчика должно быть по значению большим, так как обычно емкостное сопротивление датчика очень велико. Поэтому предварительный усилитель, монтируемый, как правило, с пьезодатчиком в одном корпусе, имеет большое входное и малое выходное сопротивления, коэффициент усиления предварительного усилителя 100.
Датчик устанавливают на поверхности контролируемого элемента комплектного элегазового оборудования, как показано на рис. 37. От датчика сигнал по кабелю поступает в блок регистрации с оконечным усилителем с коэффициентом усиления около 70. С оконечного усилителя сигнал поступает на самописец или осциллограф или головные наушники (телефоны) - это зависит от регистрирующего устройства, применяемого при конкретных испытаниях.
Снятые при помощи осциллографа осциллограммы (или диаграммы на самописце) позволяют судить о состоянии проверяемого оборудования. Диагностику дефектов производят сравнением характеристик поврежденного оборудования и его исправного состояния. Различие характеристик позволяет дать количественную и качественную оценки повреждения.
Рис. 38. Вид акустического сигнала движущейся частицы при ударе в оболочку
Рис. 37. Установка акустического датчика на оболочке испытуемого оборудования
1 — корпус (оболочка) оборудования; 2 — соединение клеевое; 3 — гайка; 4 — канал кольцевой; 5 — преобразователь акустический
Для различных видов дефектов осциллограммы имеют свои особенности. Испытательное напряжение (переменное или постоянное), его амплитудные значения в основном определяют эти особенности. Так, например, при движении частицы в элегазе в электрическом поле напряжением 10 кВ частоты 50 Гц и ударе ее в оболочку характеристика ультразвуковых колебаний имеет вид, представленный на рис. 38. Амплитуда ультразвукового сигнала для той же частицы в поле постоянного напряжения оказывается больше почти в 5 раз.
По характеру колебательного процесса в электрическом поле частоты 50 Гц можно судить о типе дефекта. Так, при наличии острия, если при движении частицы амплитуда колебаний не зависит от фазы приложенного напряжения, характер колебательного процесса зависит от фазы испытательного напряжения. Это может быть объяснено тем, что разряд от острия возникает первоначально при отрицательной полуволне и лишь затем при положительной. Такая особенность острия как дефекта позволяет по изменению амплитуд сигнала при положительной и отрицательной полуволнах напряжения частоты 50 Гц выявлять тип дефекта.
Испытания элегазовых ячеек на подстанции подтвердили эффективность метода ультразвуковой дефектоскопии: на протяженном токопроводе по характеру осциллограмм и амплитудам колебаний были определены типы дефектов, при разборке эти предположения подтвердились и были обнаружены металлические частицы (по осциллограмме были "частицы"), а также кусок резины и заусенец в сварном сочленении (по осциллограмме было "острие").
Таким образом, ультразвуковая дефектоскопия позволяет обнаружить и выявить дефекты элегазового оборудования в стадии монтажа и устранить их до окончательной сборки ячеек КРУЭ. Кроме того, ультразвуковая дефектоскопия имеет перед методом частичных разрядов существенное преимущество: она позволяет выявлять дефекты и от диэлектрических непроводящих частиц, в то время как электрическими способами измерения частичных разрядов такие дефекты не выявляют. Поэтому следует предположить, что по мере накопления опыта метод выявления дефектов ультразвуком будут внедрять при монтаже и наладке элегазового оборудования все больше.
