Электромагнитные антенны для регистрации частичных разрядов
Одним из перспективных направлений в создании систем периодического и стационарного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования является переход на проведение измерений частичных разрядов в UHF (СВЧ) диапазоне частот Интенсивное развитие этого направления в последнее время обусловлено двумя основными причинами – высокой информативностью UHF диапазона и эффективным использованием достижений современной электроники при создании технических средств регистрации и обработки сверхвысокочастотных импульсов частичных разрядов.
В качестве наиболее информативной части UHF диапазона частот для измерения высокочастотных импульсов частичных разрядов обычно рассматриваются частоты от 100 до 2000 МГц, хотя чаще всего такие измерения частичных разрядов производятся в диапазоне 500 ÷ 1000 МГц.
Основой для выбора такого частотного диапазона являются следующие причины:
- Большинство типов дефектов в изоляции сопровождается частичными разрядами до 1000 pK, которые генерируют достаточно высокочастотные электромагнитные импульсы сверхвысокочастотного диапазона.
- Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования может производиться в этом диапазоне частот бесконтактно и «направленно» в зоне прямой «радио видимости».
- Необходимый для этого диапазона частот комплект измерительного оборудования, состоящий из антенны и регистрирующего прибора, имеет оптимальные габариты и приемлемую стоимость.
Недостатком при проведении измерений частичных разрядов в изоляции в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для всего UHF диапазона, является наличие большого количества телевизионных, промышленных и даже военных передатчиков различной мощности и удаления, работающих на этих частотах. При проведении измерений частичных разрядов при помощи «открытых» антенн наличие этих, часто достаточно мощных, передатчиков приводят к резкому увеличению общего уровня шума и помех. При использовании «закрытых» (экранированных) антенн, расположенных внутри корпусов и баков оборудования, влияние общего уровня внешних электромагнитных помех на процесс измерения частичных разрядов многократно снижается.
Электромагнитное излучение в сложном баковом высоковольтном оборудовании распространяется по достаточно сложной траектории, сопровождается сложно анализируемыми отражениями, наложениями, и затуханием. Поэтому к оценке достоверности результатов, определяющих локацию мест возникновения дефектов в изоляции, нужно подходить очень внимательно.
Из-за наличия большого конструктивного разнообразия высоковольтного оборудования, столь же велико количество конструкций электромагнитных антенн, используемых для регистрации в этом оборудовании частичных разрядов. Наибольшее количество датчиков–антенн создано, в том числе сотрудниками фирмы DIMRUS, для элегазовых КРУЭ, выпускаемых различными производителями для различных напряжений.
Ниже приведены описания только тех электромагнитных антенн, которые наиболее часто изготавливались фирмой для различных диагностических систем регистрации частичных разрядов в UHF диапазоне частот.
Датчик марки «AES» для регистрации частичных разрядов в КРУЭ
Датчик марки AES представляет собой экранированную электромагнитную антенну и предназначен для проведения измерений частичных разрядов в элегазовых КРУЭ. Датчик марки AES применяется для тех типов КРУЭ, у которых в зоне соединения двух камер (объемов КРУЭ) имеется радиопрозрачная щель или окно, т. е. имеется неметаллическая прокладка. Обычно это бывает в таких конструкциях, в которых разделительный изолирующий диск, поддерживающий токоведущую шину, является одновременно и герметизирующей прокладкой между корпусами камер КРУЭ.
Иногда локальное радиопрозрачное окно специально выполняется производителем в составе металлической прокладки между отдельными корпусами КРУЭ для проведения измерений частичных разрядов. В этом случае обеспечивается минимальный уровень наведенных внешних помех.
Для монтажа датчиков частичных разрядов марки AES обычно используются металлические крепежные ленты, являющиеся одновременно и защитным экраном от внешних помех закрывающие (экранирующие) остальную часть радио прозрачного стыка корпусов. В ряде случаев, особенно при наличии в КРУЭ локальных радио прозрачных окон, применяются специальные хомуты, фиксирующие корпус датчика за болты, стягивающие корпуса камер при помощи внешних легкосъемных захватов.
Поскольку внешний диаметр стыков камер КРУЭ, на которых монтируются датчики, у оборудования различных производителей обычно различается, то практически для каждой марки КРУЭ приходится изготавливать корпуса датчиков AES своей формы. Основное различие состоит в радиусе внутренней поверхности датчика, прилегающей к стыку корпусов КРУЭ. Это изменение делается для того, чтобы максимально снизить влияние внешних электромагнитных помех на регистрацию частичных разрядов, для чего немагнитный зазор между корпусом датчика и поверхностью стыка корпусов КРУЭ должен быть минимальным.
Датчик марки AES подключается при помощи специализированного разъема N-TYPE к измерительному прибору высокочастотным коаксиальным кабелем, что позволяет эффективно проводить регистрацию частичных разрядов в изоляции КРУЭ в диапазоне частот от 200 МГц до 1500 МГц.
Важным достоинством датчика марки AES является возможность его оперативной установки на работающем оборудовании без необходимости выведения его из эксплуатации. Это объясняется тем, что датчик монтируется на заземленных поверхностях корпусов КРУЭ без какого-либо вмешательства в целостность их конструкции.
Датчик марки AES-T для регистрации частичных разрядов в баках силовых трансформаторов
Измерение частичных разрядов в силовых трансформаторах наиболее эффективно проводить при помощи датчиков – электромагнитных антенн UHF (СВЧ) диапазона частот, смонтированных внутри бака.
При таких измерениях достигается самая высокая достоверность, так как уровень наведенных извне высокочастотных помех является минимальным из-за экранирующих свойств металлического бака трансформатора.
Датчик марки AES-T предназначен для измерения частичных разрядов в баках силовых трансформаторов. Датчик регистрирует импульсы частичных разрядов в UHF диапазоне частот, от 400 до 1500 МГц.
Датчик состоит из двух частей:
- Встраиваемая внутрь бака радиопрозрачная оболочка, монтируемая на заводе – изготовителе трансформатора.
- Антенна UHF диапазона частот, которая может устанавливаться и сниматься в процессе эксплуатации без потери герметичности бака трансформатора.
Датчик марки AES-T заранее устанавливается на баке трансформатора на заводе – изготовителе. Датчик может монтироваться на стенке бака трансформатора, или же на одном из технологических лючков на баке.
Предварительная установка датчика позволяет проводить измерение частичных разрядов в процессе эксплуатации трансформатора оперативно и безопасно, без вывода его из эксплуатации.
Параметры датчика AES-T
| Частотный диапазон ЧР, МГц | 400 ÷ 1500 |
| Максимальный диаметр, мм | 165 |
| Выступ в бак трансформатора, мм | 98 |
| Внешний разъем антенны | N-Type |
| Вес датчика, кг | 4,5 |
Датчик марки «AES/W» для регистрации частичных разрядов в КРУЭ
Датчик марки AES/W также является электромагнитной антенной, предназначенной для регистрации частичных разрядов в КРУЭ. Датчик этой марки отличается от датчика марки AES тем, что он специально разработан для установки на смотровых окнах КРУЭ, через которые обычно осуществляется визуальное наблюдение за срабатыванием встроенных разъединителей и заземлителей. Это не самое лучшее место для установки датчиков частичных разрядов, но иногда оно является единственно доступным.
Поскольку разновидностей конструкций смотровых окон в КРУЭ достаточно много, они во многом уникальны у каждого производителя то датчик марки AES/W является разборным и состоит из трех основных элементов:
- Самого датчика в корпусе из нержавеющей стали с элементами крепления дисковой антенны и подключения коаксиального сигнального кабеля.
- Дисковой круглой электромагнитной антенны, смонтированной на корпусе датчика. Диаметр антенны зависит от диаметра смотрового окна в корпусе КРУЭ, и подбирается индивидуально.
- Элементов крепления корпуса датчика на смотровом окне, размеры которых полностью зависят от конструктивного исполнения окна. Крепление датчика выполнено таким способом, чтобы обеспечить его быстрый демонтаж при необходимости проведения визуального контроля текущего состояния коммутационного элемента внутри КРУЭ. Элементы крепления датчика являются одновременно и металлическим экраном, защищающим антенну от внешних наведенных помех.
Датчик марки AES/W обеспечивает регистрацию частичных разрядов внутри КРУЭ в диапазоне частот от 200 МГц до 1500 МГц. Точное значение диапазона регистрируемых высокочастотных импульсов, а также итоговая чувствительность датчика зависят от двух параметров: диаметра дисковой антенны датчика и ее реального удаления от токоведущих частей внутри корпуса КРУЭ.
Элементы крепления датчика AES/W могут быть оперативно смонтированы на смотровых окнах КРУЭ без вывода оборудования из эксплуатации. При необходимости сам датчик может быть снят с окна для визуального контроля положения заземлителей (или разъединителей) без использования инструмента и так же легко установлен на оборудовании повторно.
Датчик марки «ACS» для регистрации частичных разрядов в КРУЭ
Датчик марки «ACS», также являющийся электромагнитной антенной, разработан для установки внутри корпусов КРУЭ на заводе–изготовителе в специальных нишах, закрытых монтажными лючками.
Установка датчиков этой марки в составе систем мониторинга на уже смонтированном и работающем оборудовании невозможна по двум причинам:
- Датчики должны монтироваться внутри объема КРУЭ, для чего там должны быть предусмотрены специальные посадочные места.
- Для установки датчиков необходимо вскрывать корпус КРУЭ, собрав соответствующим образом весь элегаз. Это очень трудоемкая процедура, на которую персонал всегда идет неохотно.
По этим причинам датчики частичных разрядов марки «ACS», хотя они и обладают высокой чувствительностью и очень высокой помехозащищенностью, при оснащении системами мониторинга уже работающего элегазового оборудования практически никогда не используются.
Датчик «BA-1» для измерения ЧР в статорах электрических машин
Это стационарный вариант широкополосной электромагнитной антенны, предназначенный для регистрации высокочастотных импульсов частичных разрядов в диапазоне частот 200 ÷ 900 МГц.
Антенна марки «BA-1» предназначена для установки внутри корпуса статора генератора или высоковольтного электродвигателя. Назначение этой широкополосной антенны – регистрация импульсов частичных разрядов, возникающих в обмотке статора электрической машины.
В системе мониторинга и диагностики состояния изоляции оптимально использование трех антенн этой марки: по одной на каждой из двух сторон обмотки в зоне лобовых частей обмотки (для больших машин по две и более) и одна антенна в зоне подключения соединительного высоковольтного кабеля. Такая конфигурация датчиков дает возможность эффективно отстроиться от внешних высокочастотных помех, поступающих по высоковольтному кабелю, и даже провести начальную локацию места возникновения дефекта в изоляции обмотки.
Поскольку антенны марки «BA-1» устанавливаются внутри металлического корпуса статора электрической машины, то они достаточно хорошо защищены от воздействия внешних высокочастотных помех, наводимых из рядом расположенного высоковольтного оборудования.
Антенны марки «BA-1» являются эффективным и сравнительно дешевым типом датчика для регистрации частичных разрядов в изоляции обмоток статоров крупных высоковольтных электрических машин, по сравнению с используемыми конденсаторами связи и датчиками частичных разрядов (тоже антеннами), устанавливаемыми в пазах статоров между секциями обмотки. Поскольку эти электромагнитные антенны, установленные на «заземленном» корпусе статора, гальванически никак не связаны с высоковольтными цепями обмотки статора электрической машины и даже не касаются секций обмотки статора снаружи, то они не оказывают отрицательного влияния на надежность работы контролируемого генератора или электродвигателя.
Направленная логопериодическая антенна марки «LPA-1»
Это переносной вариант широкополосной направленной электромагнитной антенны, предназначенный для оперативной дистанционной регистрации высокочастотных импульсов частичных разрядов от дефектов в изоляции в диапазоне частот от 400 до 900 МГц.
Универсальная электромагнитная антенна марки «LPA-1» предназначена для решения двух важных практических задач:
- Во-первых, это дистанционная бесконтактная регистрация импульсов частичных разрядов в UHF диапазоне частот, проводимая с целью выявления дефектов в изоляции высоковольтного оборудования.
- Во-вторых, «LPA-1» позволяет быстро и оперативно определять направление на источник высокочастотного импульсного излучения с целью локализации места возникновения дефекта в изоляции контролируемого оборудования.
Широкополосная антенна марки «LPA-1» обычно используется совместно с различными переносными измерительными и диагностическими приборами, предназначенными для регистрации импульсов частичных разрядов в UHF диапазоне частот, чаще всего при проведении оперативной диагностики.
Поскольку результаты измерений частичных разрядов в высоковольтной изоляции при помощи переносной антенны «LPA-1» очень трудно поддаются градуировке (впрочем, как и все другие дистанционные измерения частичных разрядов), при такой диагностике очень важным параметром является удаление от места возникновения дефектов, которое может быть различным даже от измерения к измерению. Поэтому итоговая оценка состояния изоляции контролируемого оборудования в таких случаях обычно производится с использованием относительных параметров и сравнительных соотношений. Это могут быть соотношения типа «есть разряды – нет разрядов» или «выше интенсивность разрядов – ниже интенсивность», и т. д.
Такая оперативная оценка состояния изоляции производится на основе сравнения результатов измерений частичных разрядов, проводимых при изменении местоположения антенны и ее направления на различные элементы контролируемого оборудования.