CC BY
20
УДК 621.317.75
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЯ ФОРМЫ ЛИНИИ СИГНАЛОВ
ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ
А.М. ГАТАУЛЛИН* В.Л. МАТУХИН*, Б.А. КРУПНОВ**
* Казанский Государственный Энергетический Университет ** ОАО «Казанские электрические сети»
В представленной работе приводятся результаты исследования искажения формы линии сигналов частичных разрядов (ЧР), обусловленные параметрами устройства присоединения (УП). Теоретические импульсные сигналы ЧР смоделированы и исследованы с применением современных программных средств Multisim 10, MathCAD 14, Microsoft Excel. Теоретические сигналы ЧР сопоставляются с экспериментальными сигналами ЧР, полученными в воздушном зазоре поверхность-игла под воздействием как постоянного, так и переменного действующего напряжения.
Данная работа может представлять интерес с точки зрения оптимизации параметров устройства присоединения для селекции сигналов ЧР по их амплитуде и длительности и дальнейшей цифровой обработки.
Ключевые слова: частичные разряды, моделирование формы линии частичных разрядов, методы диагностики изоляторов высоковольтного электрооборудования.
Введение
В настоящее время активно развивается диагностика изоляторов высоковольтного электрооборудования методом частичного разряда (ЧР), рекомендуемым отечественными и зарубежными стандартами [1, 2]. Понятие ЧР связано с искровым пробоем разрядного промежутка. В ранних исследованиях при описании искровых электрических разрядов в изоляции высоковольтного электрооборудования использовались термины "ионизация", или "корона". Известно такое определение как стримерная корона Тричела - искровые разряды, наблюдающиеся в лабораторных условиях, под воздействием постоянного напряжения [3]. В дальнейшем коронными стали называть искровые разряды в газовой изоляции, а искровые разряды в толще твердого диэлектрика (или по его поверхности) стали классифицировать как частичные (или поверхностные частичные разряды - ПЧР). ЧР не приводит к пробою всего разрядного промежутка, а лишь постепенно разрушает диэлектрик.
Разряды в воздушной среде, вследствие меньшей электрической прочности воздуха по сравнению с электрической прочностью других диэлектриков, например фарфора, происходят при относительно небольшом значении действующего напряжения, поэтому исследования характеристик сигналов ЧР часто проводят в воздушном разрядном промежутке. В данной работе с помощью системы поверхность-игла мы исследовали форму линии сигналов ЧР, возникающих в воздухе. По форме линии определяются длительность и амплитуда сигнала ЧР, обусловленного дефектом, что необходимо для расчета величины кажущегося заряда и соответствующей оценки рабочего состояния высоковольтных изоляторов. Совершенно очевидно, что форма линии сигналов ЧР искажается, в том числе шумами, накладывающимися на полезный сигнал. Шумы влияют как на
© А.М. Гатауллин, В. Л. Матухин, Б.А. Крупнов Проблемы энергетики, 2011, № 3-4
длительность, так и на значение амплитуды сигналов ЧР. В то же время форма линии сигналов ЧР может быть искажена устройством присоединения. В различных работах приводятся различные формы линии сигналов ЧР. Например, в одних источниках приводится форма линии сигнала ЧР в виде затухающего колебания [4], напоминающего импульсную характеристику линейной или нелинейной цепи, в других источниках передний фронт сигналов ЧР удлинен, а длительность самого импульса ЧР составляет порядка сотен микросекунд [5]. Теоретическая форма линии сигнала ЧР хорошо известна и обычно представляется в виде импульса пилообразной формы, с коротким, порядка наносекунд, передним фронтом. Импульсы пилообразной формы полученные с помощью генератора, также применяются для калибровки устройства присоединения [4]. В некоторых работах указывается на форму импульса сигналов ЧР искаженной пилообразной формы c отрицательным выбросом, характерным для импульсной характеристики устройства присоединения [6].
Учитывая то обстоятельство, что отдельные сигналы ЧР могут накладываться друг на друга, особенно в предпробойной ситуации, а удлинение импульсов сигналов ЧР необходимо для их цифровой обработки ввиду ограничения значения частоты оцифровки платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также с учетом возможного изменения амплитуды сигналов ЧР ввиду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) устройства присоединения, мы фактически из одной случайной последовательности регистрируемых сигналов ЧР выделяем другую случайную последовательность сигналов ЧР.
Возникает вопрос: каковы наиболее оптимальные расчетные параметры устройства присоединения для решения задачи селекции сигналов ЧР по их амплитуде и длительности? Селекция сигналов ЧР по их амплитуде и длительности важна с точки зрения определения типа и среднего размера дефектов.
Основные результаты эксперимента по изучению формы линии сигналов ЧР
Для моделирования сигналов ЧР в воздушном зазоре поверхность-игла в лабораторных условиях нами, на базе аппарата испытания электрической прочности диэлектриков АИД- 70, собран измерительный стенд, который позволяет моделировать сигналы ЧР как при постоянном, так и при переменном напряжении амплитудой до 70 кВ (рис. 1). Параметры разрядной ячейки: расстояние от плоскости до иглы - 15 мм, диаметр иглы - 30 мкм, форма наконечника иглы - плоская.
Сигналы ЧР регистрировались по электрическому и электромагнитному каналам с помощью полуволновой антенны и устройства присоединения (УП).
Электромагнитный (бесконтактный) канал, в отличие от контактного, непосредственно не связан с плоскостью, при этом осциллографом регистрируется сигнал от телескопической антенны, проходящий через RC цепочку (УП), или через резонансный датчик и RC цепочку. Резонансный электромагнитный датчик (ЭМД) - это промышленным образом изготовленный высокочастотный модуль с узкой полосой пропускания, параметры которого описаны далее по тексту.
В обоих методах регистрации сигналов ЧР применялась RC цепочка с постоянной времени 14 мкс. Данные сигналов ЧР подаются на осциллограф Tektronix TDS 1012, который с помощью стандартного интерфейса RS-232 присоединяется к персональному компьютеру, на котором установлена программа Open Choice для визуализации 2500 пикселей изображения на экране осциллографа, связанного с частичными разрядами.
Рис. 1. Схема установки для сбора данных ЧР: АИД-70 - аппарат для испытания диэлектриков; РЯ - разрядная ячейка с диаметром иглы 30 мкм; ЭД - электрический датчик; ЭМД -электромагнитный датчик; компьютерная программа Open Choice; ПК - персональный
компьютер; плата АЦП NI PSI-6251
Осциллограф Tektronix TDS 1012 имеет ширину полосы пропускания 100 МГц и регистрирует электрические сигналы с частотой до 1 миллиарда выборок в секунду, что позволяет визуализировать форму линии ЧР при подаче постоянного напряжения на острие (рис. 2). Сигнал с антенны значительно искажен, о чем можно судить по ломаной форме линии сигнала ЧР, сигнал с ЭД искажен в меньшей степени. Одна из очевидных причин искажения формы линии сигналов ЧР - низкочастотные и высокочастотные помехи, влияние которых удалось минимизировать с помощью ЭМД, настроенного на частоту 434 МГц, сигналы ЧР с которого совпали с данными, полученными с помощью ЭД не только по частоте, форме сигнала, но и по амплитуде.
P
Ch 1, ЛС ooutfng. 5.QE-1 Vktw. 1 .QE-E Chi. (iL Cüupling. 2 Utü V'div. I üt-4 a/div. 2b00 ponts. Scripte тхн 4-'¿tv. SSÖÖpanli, Sarva'e inoda t
Рис. 2. Канал 1: антенна. Канал 2: эд. постоянное напряжение 8 кв. ситуация далекая от пробоя
разрядного промежутка
В то же время сигналы ЧР, полученные с помощью антенны, совпали с сигналами, полученными с применением ЭД, только по частоте следования
импульсов. Наибольший практический интерес представляют сигналы ЧР при переменном напряжении (рис. 3), которые мы сопоставили с сигналами ЧР при постоянном напряжении (рис. 4), полученными нами с помощью антенны и осциллографа Tektronix TDS 1012. Выяснилось, что длительность переднего фронта импульсов ЧР не зависит от амплитуды действующего напряжения. Средняя амплитуда сигналов ЧР при постоянном напряжении больше средней амплитуды сигналов ЧР при переменном напряжении. Частота следования сигналов ЧР увеличивается, а форма их линии не меняется с увеличением амплитуды действующего напряжения. Сопоставительный анализ формы линии сигналов ЧР при различных значениях действующего напряжения и разверток осциллограмм показали, что форма линии сигналов ЧР идентична как при постоянном, так и при переменном напряжении, независимо от величины действующего напряжения.
M
1 АЛ/ 1/1/1/
ч и 'и " г V
cm, ^С coupling, 5.0 1-2 v/dl ', 5.0Е-: s/div, Zboo poin te, Sample mod
Рис. 3. Сигнал с антенны. переменное напряжение 18 кв. сигналы ЧР на фоне модулированного сигнала действующего напряжения. Развернутый сигнал на отрицательной полуволне
действующего напряжения
V 1
ГГТ "vrv ~(YY
Chi, AC coup ing, 5.0E-2 Vidi», 5.QE-S s/div, 500 points. Sample mod
Рис. 4. Импульсы тричела в системе поверхность-игла, зарегистрированные с помощью антенны. Постоянное напряжение 8 кв
Отличие осциллограмм (рис. 4 и рис. 2), прежде всего, определяется разверткой регистрируемого сигнала. Возникает вопрос: почему форма сигнала ЧР при увеличении цены деления горизонтальной шкалы осциллографа существенно искажается, и почему сигнал при постоянном напряжении немного отклоняется от нулевого уровня? Можно предположить, что небольшое отклонение сигнала осциллограммы при постоянном напряжении от нулевого уровня связано с шумами. Была поставлена задача уменьшения влияние шумов. Учитывая широкий частотный спектр сигналов ЧР и спектр шумов, целесообразно регистрировать сигналы ЧР на частотах порядка сотен мегагерц. Особенно это актуально в связи с интенсивными сигналами короны, встречающимися в частотном диапазоне до 400 МГц и выше. Оказалось, что соотношение сигнал-шум максимально при регистрации сигналов ЧР с помощью ЭМД, настроенного на частоту 434 МГц с полосой частот ±5 МГц, по сравнению с аналогичным параметром электромагнитного сигнала, полученного с помощью антенны и ЭД. Также можно предположить, что форма линии сигналов ЧР на рис. 2 и рис. 4 искажается в связи с характеристиками входной цепи осциллографа Tektronix TDS 1012, содержащей интегрирующие цепочки, компараторы и усилители, то есть линейные и нелинейные электрические цепи. Параметры (в том числе АЧХ) упомянутых линейных и нелинейных электрических цепей, по-видимому, является причиной искажения амплитуды сигналов ЧР, полученных при одном и том значении действующего напряжения. Очевидно, что только на основании экспериментальных результатов невозможно объяснить все причины столь существенного искажения формы линии сигналов ЧР. Поэтому мы провели моделирование искажения формы линии прямоугольных и пилообразных импульсов, проходящих через линейные цепи (интегрирующие цепочки 2 порядка), которые в дальнейшем для краткости будем называть «линейные цепи».
Основные результаты моделирования искажения формы линии сигналов ЧР
Первоначально с помощью известной методики и электронных таблиц Microsoft Excel определены наиболее оптимальные взаимозависимые значения параметров устройства присоединения (УП), выполненного в виде линейной цепи для разделения импульсов по их длительности в диапазоне от 0,5 нс до 7 нс (табл. 1, 2). Параметры подбирались таким образом, чтобы форма сигнала на выходе линейной цепи была максимально приближена к форме линии сигнала ЧР, наблюдаемой с помощью осциллографа Tektronix TDS 1012.
Таблица 1
Основные характеристики интегрирующей цепочки второго порядка
R, Ом C, нФ Резонансная частота F, МГц Q, добротность L, нГн
50,00 0,00020 1 000,000000 15 923,566878981 126,779991074689000
50,00 0,00030 800,000000 13 269,639065817 132,062490702801000
50,00 0,00050 600,000000 10 615,711252654 140,866656749654000
50,00 0,00100 434,000000 7 338,049252987 134,617417098142000
50,00 0,00200 300,000000 5 307,855626327 140,866656749654000
50,00 0,00400 200,000000 3 980,891719745 158,474988843361000
С помощью МаШСАБ 14 мы провели исследования параметров АЧХ УП, выполненного в виде линейной цепи (рис. 5), которая, как известно, содержит индуктивность, сопротивление и электрическую емкость. Кроме АЧХ также моделировались переходная и импульсная характеристики устройства
присоединения. Для того чтобы УП было весьма чувствительно к сигналам ЧР только определенной длительности (табл. 1, 2) и чтобы не исказить импульсную характеристику линейной цепи, моделировались АЧХ с узкой полосой пропускания и высокой добротностью, превышающей добротность ЭМД, примененного для получения экспериментальных результатов (в которых все-таки наблюдается искажение импульсной характеристики). Узкополосная система регистрации необходима для того, чтобы сигналы ЧР с какой-либо другой длительностью (табл. 1, 2), равно как и короны, пройдя через линейную цепь, существенно отличались по амплитуде от сигналов ЧР интересующей нас длительности.
Таблица 2
Дополнительные характеристики интегрирующей цепочки второго порядка
Полоса пропускания, МГц Соотношение постоянной времени УП входной и выходной цепи Скважность Длительность импульса, нс
0,0314 0,00394384 0,03 0,5
0,030144 0,00567913 0,04 0,666666667
0,02826 0,00887364 0,05 0,833333333
0,029571892 0,018571148 0,07 1,166666667
0,02826 0,03549456 0,011 1,833333333
0,02512 0,06310144 0,019 3,166666667
Резонансная частота линейной цепи была выбрана равной 434МГц в связи с нашими экспериментальными результатами. Далее с помощью МиШ«1ш (рис. 6) были проведены виртуальные эксперименты с применением линейных цепей, параметры которых нами были определены (табл. 1, 2). Виртуальные эксперименты показали, что на форму линии выходного импульса влияет соотношение постоянной времени входной и выходной цепи, а также значение добротности, которое по порядку величины совпадает со значением добротности УП, примененного нами в экспериментальных исследованиях.
Добротность УП существенно уменьшается при подключении к выходной цепи сопротивления 500 Ом, что приводит к удлинению переднего фронта и длительности сигнала ЧР, при этом сигнал ЧР становится похожим на пилообразный, но с небольшим выбросом напряжения в отрицательную сторону. Уменьшение соотношения постоянной времени на входе и выходе УП приводит к искажению формы линии импульса, которая становится похожей на экспериментальную формы линии (рис. 2).
1р:= 430 0:= 14000 ]:=л/-Т р^) := ] • 2п- f
а0 := (2%) (р)2 Ь0 := а0 Ь1:=^20р) Ь2:= 1
К(г ) :=-а0-- А( ) := |к(),
(Ь0 + Ь1 • р(()+ Ь2 • р(()2) 1 и
где 1р - резонансная частота, МГц; 0 - добротность; р(1) - циклическая частота; К(1) - переходная характеристика интегрирующей цепочки второго порядка; А(1) -амплитудно-частотная характеристика интегрирующей цепочки второго порядка.
600 -
А(П 400 -
200 -
.2.84, о
400 420 440 460 480 500 400 \ 500
Рис. 5. Рассчеты в МаШСАЭ АЧХ УП (интегрирующей цепочки второго порядка), настроенной
на частоту 434 МГц
Рис. б. Схема виртуального эксперимента, проведенного с помощью Multisim: XFG1 - генератор стандартных сигналов; Tektronix - виртуальный осциллограф с полосой пропускания 200 МГц; J1A - ключ, предназначенный для подключения дополнительного переменного сопротивления. На схеме также изображены интегрирующая цепочка второго порядка, настроенная на частоту 434 МГц, и дополнительное сопротивление 500 Ом
Выяснено, что если менять длительность импульса, подаваемого на вход УП, то импульсная характеристика УП также будет искажаться. То же самое происходит, если постепенно уменьшать добротность УП, несмотря на соответствие резонансной частоты и длительности импульсного сигнала. Показано, что за счет выбора относительно узкой полосы пропускания УП, значение которой внесено в табл. 2, удается разделить прямоугольные импульсы по их ширине на полувысоте (в нашем случае 1,17 нс), двойное значение которой соответствует резонансной частоте УП (434МГц). Представленная нами методика расчета параметров устройства присоединения, выполненного в виде линейной
цепи, была распространена на импульсные последовательности пилообразной формы и показала себя с наилучшей стороны в плане разделения импульсов по их длительности с одной лишь оговоркой - в данном случае необходимо определять просто длительность импульса на его полувысоте.
Теперь сделаем выводы относительно интерпретации экспериментальных осциллограмм и результатов моделирования с помощью MathCad. Экспериментальные осциллограммы на рис. 2 и 4 соответствуют одному и тому напряжению, но отличаются разверткой регистрируемого сигнала. Искажение формы сигнала объясняется в тексте статьи. Изменение амплитуды регистрируемого сигнала можно объяснить небольшим объемом буферной памяти цифрового запоминающего осциллографа Tektronix (64 килобайта), в результате чего при большей величине развертки мы видим меньшее количество точек массива данных. Вследствие того что распределение сигналов ЧР имеет случайный характер, рационально по рис. 2 определять длительность, а по рис. 4 - амплитуду сигнала ЧР. Кроме того, искажение амплитуды сигнала может быть обусловлено АЧХ устройства присоединения, поэтому для проектирования и согласования регистрирующих цепей и для определения кажущегося заряда, обусловленного дефектами изолятора, с нашей точки зрения, полезно использовать возможности MathCad совместно с экспериментальными данными относительно длительности и амплитуды сигналов ЧР.
Выводы
Показано, что за счет выбора относительно узкой полосы пропускания УП (линейной цепи), удается разделить прямоугольные и пилообразные импульсы по их ширине на полувысоте. Форма линии импульса искажается при уменьшении добротности УП и изменения соотношения постоянных времени на входе и выходе УП. Уменьшение добротности УП приводит к удлинению импульса, затягиванию переднего фронта импульса, в том числе появляется отрицательный выброс. Если длительность импульса соответствует резонансной частоте линейной цепи, то импульсная характеристика не искажается. Высокодобротное УП, выполненное в виде интегрирующей цепочки второго порядка, весьма чувствительно к импульсным сигналам только определенной длительности, все остальные импульсные сигналы на выходе УП будут существенно отличаться по амплитуде и форме импульсной характеристики. Основными характеристиками, влияющими на импульсную характеристику УП, является длительность входного импульсного сигнала и амплитудно-частотная характеристика УП. Поэтому УП в виде интегрирующей цепочки второго порядка вместе с компараторами и усилителями эффективно в плане отделения сигналов ЧР от сигналов короны и селекции сигналов ЧР по их длительности. Искажение экспериментальной формы сигнала ЧР обуславливается шумами, значением добротности и соотношением постоянной времени входной и выходной цепи устройства присоединения.
Summary
It is shown that by means of narrow pass-band choice of the joining device (a linear chain), it is possible to divide impulses on their duration at semi height. The line form of an impulse is deformed at reduction of the joining device good quality and changes of time constants parity on an input and exit of joining device. Reduction of joining device good quality leads to impulse lengthening, forward front of an impulse lengthening, including a negative emission. If impulse duration corresponds to the resonant frequency of a linear
chain the pulse characteristic would not deform. The joining device with the high good quality executed in the form of second order integrating chain is sensitive only to the certain duration pulse signals, all other pulse signals on the joining device exit will essentially differ on amplitude and on the form of the pulse characteristic. The basic characteristics influencing on the pulse characteristic of the joining device, are the duration of an entrance pulse signal and peak-frequency characteristic of the joining device. Therefore joining device in the form of a second order integrating chain together with comparators and amplifiers are effective in respect to the PD signals and the crown signals selection and selection of PD signals on their duration. Distortion of the experimental form of PD signal is defined by noise, value of good quality and a time constant parity on entrance and exit chain of the joining device.
Key words: partial discharges, modeling of the partial discharges form line, diagnostic methods of the high-voltage electric insulators eguipment.
Литература
1. Международный стандарт МЭК 60270. Методы высоковольтных испытаний - измерение частичных разрядов.
2. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование установок. Методы измерения частичных разрядов.
3. G.W. Trichel. Phys. Rev. 54, 1078 (1938).
4. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. Н.: Наука, 2007. 156 с.
5. Yicheng Wang. New method for measuring statistical distributions of partial discharge pulses // J. Res. Natl. Inst. Stand Technol. vol 102, №5, 1997. pp. 569-576.
6. М. Байер, В. Бёк, К. Мёллер, В. Цаенгель. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения. Пер. с нем. / Под ред. В.П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 555 с.
Поступила в редакцию 01 октября 2010 г.
Гатауллин Айрат Мухамедович - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Физика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-82.
Матухин Вадим Леонидович - д-р физ.-мат.наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-82.
Крупнов Борис Александрович - заместитель главного инженера ОАО «Казанские электрические сети».
