СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Дистанционные методы и системы дефектоскопии высоковольтной изоляции электрооборудования по оптическому излучению

Автор: д.т.н., В.И. Завидей, ФГУП ВЭИ.

Электронно-оптические системы мониторинга технического состояния электрооборудования на данное время заняли достойное положение в инспекционном контроле электрических аппаратов энергетического назначения. В значительной степени сказанное относится к применению инфракрасных систем, где в результате многолетней наработки разработаны методические материалы и критерии, определяющие характер, степень развития и опасность развития дефектов электрооборудования под напряжением [1, 2]. Достаточно актуальной является задача дистанционного оптического контроля изоляции высоковольтных линий, подвергающихся поверхностным загрязнениям. Наиболее интенсивно данные процессы развиваются в окрестности предприятий с повышенными выбросами в атмосферу продуктов загрязнений: вблизи железных дорог, а также в прибрежных районах с влажным морским климатом из-за солевых поверхностных отложений. Появление микропор в зазоре «стержень-покрышка» и загрязнение последнего ведет к появлению частичных и поверхностных разрядов при сравнительно низких напряжениях, что приводит к повреждению всего изолятора.

   Близкие физические процессы в силу несовершенства существующей технологии производства изоляторов и плохой адгезии к металлу происходят и с фарфоровыми изоляторами. Несмотря на ряд технологических недостатков, фарфоровые изоляторы позволяют проводить многократную очистку поверхности, что дает возможность устранять поверхностную разрядную активность и, тем самым, увеличить срок их эксплуатации.

   Рассмотренные обстоятельства указывают на актуальность вопросов разработки методологии обнаружения и критериев оценки на стадии ранней диагностики возникающих дефектов, как на фарфоровых, так и на полимерно-композитных изоляторах.

   В данной работе представлены результаты экспериментальных разработок и применения оптико-электронной системы, чувствительной в ультрафиолетовой, видимой и области спектра, позволяющей обнаруживать на стадии зарождения дефекты и оценивать электрическую надежность их функционирования.

   Метод диагностики, основанный на визуализации электромагнитного излучения, при возникновении поверхностных частичных разрядов и короны в УФ-диапазоне спектра хорошо известен и начал широко применяться для выявления в эксплуатации повреждений высоковольтного электрооборудования с появлением соответствующих измерительных приборов. По производительности, наглядности диагностической информации УФ-метод имеет несомненные преимущества перед ультразвуковым, радиолокационным и другими методами функциональной дистанционной диагностики изоляционных конструкций высоковольтных устройств и линий высокого напряжения.

   До настоящего времени аппаратная реализация этого метода, в основном, базировалась на электронно-оптическом дефектоскопе типа «Филин», применение которого, из-за низкой чувствительности и отсутствия возможности количественной оценки интенсивности разрядных явлений было ограничено исключительно задачами обнаружения коронной активности в отсутствии излучения.

   Проведенные исследования спектрального состава излучения коронного и стримерного разряда в атмосферном воздухе показывают, что их излучение в основном сосредоточено в невидимой ультрафиолетовой области. Поскольку энергия возбуждения для каждого конкретного элемента дискретна и однозначна, то и длины волн излучения будут строго дискретными, а их спектр будет для атомарного газа линейчатым.

   В табл.1 для ряда основных газов приведены числовые значения энергии первого возбуждения Wp и энергии однократной (одноступенчатой) ионизации Wl. 

    Приведенные значения энергий, необходимых для «вывода» молекулы и атома из нормального состояния с переводом в возбужденное или в отрыв электрона с ΔW>0 показывают, что коэффициент ударной ионизации α, как характеристический параметр ионизационного процесса может быть оценен через фиксируемые длины волн излучения, а именно:

 ,               (1)

где N – количество (число) ионизационных актов; λо, λ – основная и максимальная длина волны излучения;

   Одновременно с возникновением новых свободных электронов при ударе или в процессе ионизации происходят процессы прилипания электронов к нейтральным молекулам и свободным радикалам, поэтому в реальности коэффициент ударной ионизации имеет несколько меньшее значение. Число носителей заряда зависит от коэффициента ударной ионизации и длины свободного пробега электрона и свойствами молекул среды и резко зависит от напряженности поля.

           n=n0•eαd,                     (2)

где d – длина свободного пробега.

   Диэлектрические свойства рабочей среды оцениваются по пробивному напряжению Uпр для заданной плотности и температуры. Для однородных полей – это закон Пашена. Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм, и при малых зазорах - менее 1 мм. При этом принимается, что пробивное напряжение в зависимости от давления оценивается уравнением

 Uпр= А ,   (3)

где р0 = 101,3 кПа ≅ 0.1 МПа – нормальное давление воздуха при температуре Т = 20°С (293 К).

   Для воздуха значение коэффициента ударной ионизации составляет примерно α=18 1/cм при напряженности электрического поля 30 кВ/см.

   Числовые значения коэффициентов А и В для ряда газов приведены в табл. 2.

   Приведенные значения характерных параметров А и В справедливы лишь для случая, когда Т = const, при вариациях температуры Uпр=Adδ + B√dδ.

   В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. По мере удлинения лавины и увеличения количества носителей в ней, заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму. Стримерная разновидность разряда - распространение с высокой скоростью в промежутке проводящего и светящегося плазменного локального образования. Критерием перехода является выполнение условия α•d=20.

   По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что там, где прошел стример, газ прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее состояние. Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка, что способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя. Кроме того, для линий электропередач и других систем с неоднородным полем возникает особое явление разряда - корона.

   Это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода. Электрическое поле быстро уменьшается при удалении от провода, что продвижение канала разряда прекращается на некотором удалении от электрода и межэлектродный промежуток не перемыкается. Коронные разряды приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота, воздействующие на изоляторы и арматуру, что требует методов и средств ее обнаружения.

   Электрический разряд, возникнув в разрядном промежутке, развивается как в пространстве, так и во времени. Следовательно, разрядные характеристики, определяющие электрическую прочность промежутка, связанны с вероятностными параметрами развития проводимости разряда, и зависят от времени запаздывания, которое определяется суммой времени нарастания напряжения на промежутке до совершения пробоя , времени ожидания в появлении свободного и активного электрона и времени формирования собственно самого разряда, т.е. время , за которое образуется и полностью развивается канал разряда с выделяемой в него энергией.

   Поскольку в атмосферном воздухе излучение создается молекулярным азотом N2, то в фиксируемом спектре присутствуют как первая, так и вторая положительная система (дать определение понятиям «первая» и «вторая положительная система») N2. Это, в первую очередь, относится к прианодной части разряда, имеющей вид отшнурованного канала, названного стволом (лидером) и внешней зоны и целого ряда одновременно существляющих стримеров с диффузным свечением.

    По внешнему виду молекулярные спектры резко отличаются от атомных: это система полос, а не отдельные линии. При этом каждая полоса имеет явно выраженную моду (кант) излучения и оттенены в обе стороны с определенным колебательным переходом. Сама полоса определяется (обусловлена) только вращательным переходом. Спектр излучения N2 (2+) насчитывает 44 полосы, имеющие фиолетовый оттенок и охватывают диапазон 380–500 нм. Наибольшую моду имеет кант с λ = 337 мм, означающий переход с верхнего уровня с колебательным квантовым числом νr = 0 на нижний (ν”= 0) с полосой λ = 357,7 мм. Энергия возбуждения N2 (2+) составляет 11 эВ, что только на 1,5 эВ не достигает энергии ионизации кислорода. Диффузная часть факела (стримерная зона) имеет характерный ярко-синий цвет, что подтверждает вероятность регистрации N2 (2+) в видимой части спектра. Излучение первой положительной системы N2 (1+) – более длинноволновое и уже лежит в диапазоне 500–2530 нм и содержит яркий участок в области 632–670 нм. Полосы этого вида излучения оттенены в сторону фиолетового цвета. Вращательная структура имеет достаточно сложный характер с 27 ветвями по 9 основных и 18 сателлитов. Энергия возбуждения системы N2 (1+) равна 7,4 эВ. Интенсивное излучение N2 (1+) в видимой части спектра придает разряду красноватый оттенок. В зарегистрированных спектрах прослеживается излучение нейтральных молекул азота и даже ионов азота N+2 (1–). Такое излучение возможно только при соударениях электронов с ионами азота с пороговой энергией 3,16 эВ. Вклад излучения N+2 (1–) в общее излучение незначителен (менее 5%).

   При этом в стволе (в лидере) разрядного канала этот вклад достигает 30% и находится в диапазоне 300–500 нм при максимальной полосе в 390 нм.

   В стволе факельного разряда с длиной волны λ ≈ 306 нм четко фиксируется излучение от гидроксильной группы ОН. Это излучение связано напрямую с наличием в воздухе водяных паров. При этом полностью отсутствуют линии излучения от нейтральных атомов кислорода и водорода. Кислород представлен лишь линиями с λ ≅ 626 нм, а водород – линиями Нα (λ ≈ 656 нм) и Нβ (485 нм), объясняя интенсивное излучение N2 (1+) в этом диапазоне (рис.1).

   Ультрафиолетовое излучение в области 200–400 нм имеет окна атмосферного прозрачности и поглощения, что приводит к «ослеплению» широкополосных систем регистрации излучения коронного разряда [3], последнее требует проведения измерений в ночное время.

   Анализ спектра пропускания атмосферы показывает, что при рациональном выборе спектрального интервала и умеренных расстояниях до объекта возможен дистанционный контроль интенсивности коронного и поверхностных разрядов при полном дневном освещении. При подобном выборе спектральной области измерений ультрафиолетовое солнечное излучение поглощается атмосферой и позволяет регистрировать изучение коронного разряда до расстояний несколько сотен метров, что достаточно для практических задач мониторинга изоляторов контактной сети и высоковольтных линий.

Рис.1. Спектр излучения плазмы коронного разряда
(стрелкой указана зона интенсивного поглощения солнечного ультрафиолетового излучения)

   Система контроля ультрафиолетового излучения короны использовалась для определения дефектов в изоляции при испытании отдельных стержней, а также для оценки состояния загрязнения или повреждения обмотки турбогенератора после проведения капитального ремонта. На рис.2 показаны сопряженные изображения зон дефектов в видимом и ультрафиолетовом участке спектра отдельного стержня статорной обмотки, обмотки в сборе и изолятора. На поверхности стержня обмотки с дефектом (рис.2, а) в виде повреждения полупроводящего покрытия при высоковольтных испытаниях также напряженность электрического поля достигает критического уровня и возникает коронный разряд.

   Близкая картина наблюдается на обмотке генератора ТВВ-800 в области выводного стержня с наибольшим уровнем напряженности электрического поля. Измерения проводились после проведения ремонта обмоток турбогенератора и очистки поверхности фторопластовых трубок (рис.2, б). На рис.2, в приведена типичная картина поверхностного пробоя загрязненного и увлажненного высоковольтного изолятора.

а)	б)	в)
Рис.2. Комбинированные изображения зон дефектов поверхности фрагмента стержня (а) и выхода трубок охлаждения турбогенератора с повышенным загрязнением поверхности (б) и фарфорового изолятора (в) [4]

   Высокая чувствительность измерений в ультрафиолете позволяет обнаруживать данным методом повреждения изоляции в глубине пазов без прямого оптического доступа к зоне контроля. Это связано с процессом выброса ионизованного газа из области разряда в зону наблюдения, где происходит рекомбинация возбужденных молекул с излучением ультрафиолета.

   В современной практике обследования электрического оборудования потребители могут воспользоваться последними достижениями, а именно высокочувствительной 2-х волновой системой CoroCam 504. По техническим и эксплуатационным характеристикам эта камера является наиболее современной и чувствительной к УФ-излучению для регистрации любых поверхностных и объемных разрядов, при дневном освещении (рис. 3).

а)	б)
Рис.3. Комбинированные изображения в видимой и ультрафиолетовой области спектра бездефектного опорного полимерного изолятора 110 кВ (а) и изолятора разъединителя с дефектом в области армировочного шва (б)

   Для УФ-канала выбран спектральный диапазон 240–280 мм с поглощением интенсивного фонового солнечного ультрафиолетового излучения что позволяет работать и в условиях дневного освещения. Спектральный диапазон работы видеоканала перекрывает всю видимую область спектра и составляет 450–700 нм. Рассматриваемая камера имеет независимое электропитание, длиннофокусную оптику и систему цифровой регистрации ультрафиолетового и видимого излучения и может устанавливаться на борту любых мобильных средствах передвижения.

   Весьма важным этапом для практического применения описанных методов является разработка нормативных документов контроля полимерной изоляции по ультрафиолетовому и инфракрасному излучению. Работы в этом направлении достаточно активно ведутся в США, в Италии. В России, в рамках осуществления программы повышения эксплуатационной надежности действующего электрического оборудования АЭС в концерне Росэнергоатом разработаны нормативные документы по применению методов и УФ-систем контроля раннего выявления дефектов.

Выводы

   1. Рассмотрены вопросы дистанционного мониторинга технического состояния высоковольтных линий с использованием систем, чувствительных в ультрафиолетовой области спектра.

   2. Одним из наиболее эффективных методов дневного обнаружения и диагностики изоляционных конструкций, как и повреждений проводников ошиновки, является оптимизация спектрального диапазона измерений и оптическая фильтрация регистрируемого излучения в ультрафиолетовом диапазоне.

Литература

   1. Завидей В.И., Крупенин Н.В., Вихров М.А., Голубев А.В. Электронно-оптическое оборудование при контроле технического состояния элементов сетей и подстанций на рабочем напряжении. Сборник научных трудов к 85-летию ВЭИ под общ. ред. В.Д. Ковалева М.: ВЭИ, 2006.

   2. CIGRE Study Committee 22, «Insulators – review of in-service diagnostic testing of composite insulators».

   3. F. Grum, L.F. Costa. «Spectral emission of corona discharges». Applied Optics. 15. 1976.

   4. Плотников Ю.И,. Скороходов Д.А., Герасимов В.П., Федоришин Ю.М., Грачев В.Ф. Перспективы создания компьютеризированной системы диагностирования изоляторов контактной сети по ультрафиолетовому излучению. М.: Железные дороги мира. № 7. 2004.