RU2019850C1 - Method and device for checking characteristics of partial discharges - Google Patents

Abstract

FIELD: test equipment. SUBSTANCE: partial discharge pulses which result from action of test voltage on object under testing are differentiated with subsequent high-frequency filtration. The signal received is amplified and integrated. Amplitude spectrum of pulses of partial discharges is determined from integral distribution of pulse amplitudes achieved as result of integration. Device for realization has test transformer for applying test voltage to object 2 under test, high-voltage capacitor 3, which has one plate to be current leading wire, high frequency filter 4, measuring cable 5 and indicator 6, which has wide-band integrating amplifier 7, comparator 8, pulse counter 9 and indicator 10. EFFECT: improved sensitivity; improved noise immunity. 2 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля изоляции высоковольтного оборудования по характеристикам частичных разрядов (ЧР) как при испытаниях в лабораторных условиях и на месте монтажа оборудования при подаче испытательного напряжения от постороннего источника, так и в эксплуатации под рабочим напряжением в условиях сильных электромагнитных помех. The invention relates to measuring equipment and can be used to control the isolation of high-voltage equipment according to the characteristics of partial discharges (PD) both in tests in the laboratory and at the installation site when applying a test voltage from an external source, and in operation under operating voltage in strong electromagnetic interference.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ контроля, заключающийся в том, что на объект контроля (ОК) воздействуют испытательным напряжением промышленной частоты и регистрируют амплитудные спектры импульсов ЧР. The closest in technical essence to the invention is a control method, which consists in the fact that the object of control (OK) is affected by a test voltage of industrial frequency and the amplitude spectra of PD pulses are recorded.

Устройство для осуществления способа содержит испытательный трансформатор, конденсатор, измерительный элемент (резистор), высокочастотный фильтр, усилитель и регистрирующий прибор. A device for implementing the method comprises a test transformer, a capacitor, a measuring element (resistor), a high-pass filter, an amplifier, and a recording device.

Недостатками известного способа являются низкие чувствительность и помехозащищенность. The disadvantages of this method are low sensitivity and noise immunity.

Цель изобретения - повышение чувствительности контроля характеристик ЧР и помехозащищенности от внешних гармонических и импульсных помех. The purpose of the invention is to increase the sensitivity of monitoring the characteristics of the PD and noise immunity from external harmonic and pulsed interference.

Сущность способа заключается в том, что импульсы ЧР, возникающие в ОК при воздействии испытательным напряжением, подвергают дифференцированию с последующей высокочастотной фильтрацией, полученный сигнал усиливают и интегрируют, амплитудный спектр импульсов ЧР определяют из интегрального распределения амплитуд импульсов, полученных в результате интегрирования. The essence of the method lies in the fact that PD pulses arising in an OC when subjected to a test voltage are subjected to differentiation followed by high-pass filtering, the received signal is amplified and integrated, the amplitude spectrum of PD pulses is determined from the integral distribution of pulse amplitudes obtained as a result of integration.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эквивалентная схема замещения для расчета кажущегося заряда ЧР в изоляции ОК с сосредоточенными емкостями; на фиг.3 и 4 - кривые изменения во времени заряда и тока единичного ЧР соответственно; на фиг.5 - эквивалентная схема замещения для расчета кажущегося заряда ЧР в изоляции ОК в виде длинной линии; на фиг. 6 - 8 - сигналы ЧР на входе длинной линии, на ее выходе и после прохождения дифференцирующей цепочки С_с ^. R_ик соответственно; на фиг.9-13 - сигналы в различных точках тракта передачи сигнала в устройстве для контроля характеристик ЧР.Figure 1 presents the functional diagram of the proposed device; in FIG. 2 is an equivalent equivalent circuit for calculating the apparent PD charge in the isolation of OK with lumped capacities; figure 3 and 4 are curves of changes in time of charge and current of a single PD, respectively; figure 5 is an equivalent equivalent circuit for calculating the apparent charge of the PD in isolation OK in the form of a long line; in FIG. 6 - 8 - PD signals at the input of a long line, at its output, and after passing through the differentiating chain C _s ^. R _ir, respectively; Fig.9-13 - signals at various points of the signal transmission path in the device for monitoring the characteristics of the PD.

Устройство содержит испытательный трансформатор 1, соединенный с ОК 2, высоковольтный конденсатор 3, фильтр 4 высоких частот, измерительный кабель 5 и регистрирующий прибор 6, содержащий последовательно соединенные широкополосный интегрирующий усилитель 7, компаратор 8, счетчик 9 импульсов и индикатор 10. The device comprises a test transformer 1 connected to OK 2, a high-voltage capacitor 3, a high-pass filter 4, a measuring cable 5 and a recording device 6, which contains a series-connected broadband integrating amplifier 7, a comparator 8, a pulse counter 9, and an indicator 10.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подаче испытательного напряжения от трансформатора 1 в месте дефекта (например газового включения в диэлектрике) возникают ЧР. Возникновение ЧР равносильно включению некоторого источника импульсного напряжения U₁(t), относительно которого ОК 2 в зависимости от его конструкции может быть представлен нагрузкой в виде сосредоточенной емкости или в виде линии с распределенными параметрами (длинной линии). Поскольку длительность фронта импульса тока ЧР находится в пределах 1-10 нс, то для импульса с фронтом, например, τ_ф = 5 нс, волновые свойства ОК будут проявляться уже на расстоянии
l = с ^. τ_ф = 3 ^.10^{8 .} 5^. 10^-9 = 1,5 м, где с - скорость распространения электромагнитных волн. Отсюда следует, что при испытании отдельных изоляторов, относительно коротких высоковольтных вводов и т.п. ОК относительно источника ЧР может быть представлен в виде сосредоточенной емкости. При этом для расчета кажущегося заряда ЧР используется схема замещения. В этом случае источник ЧР U₁(t) через емкость С_д наводит на ОК некоторый заряд, который вызывает бросок напряжения U₂(t), причем U₂(t) пропорционально U₁(t)
U₂(t)=U₁(t)

С_а > > С_в; С_а > > С_д; а емкость ОК равна
C_ок=C_а+

При испытании таких объектов, как токопроводы, статорные обмотки электрических машин и т.п., нагрузкой для источника ЧР будет длинная линия. Этот случай показан на фиг.1, что соответствует большинству ОК, с которыми приходится иметь дело на практике. При испытании такого ОК длинная линия может быть представлена на схеме замещения некоторым сопротивлением R = R_ок/2, где R_ок - волновое сопротивление линии. В этом случае источник напряжения U₁(t) через малую емкость С_д подключается к сопротивлению R. Коэффициент передачи K(j ω) такой системы равен
К(j ω) = U₂/U₁ = j ωT/(1+ j ωT). где Т = R ^. C_д, ω - частота. Известно, что при условии ωТ<< 1 эта схема является дифференцирующей, при этом импульсная функция напряжения от тока ЧР, содержащая некоторый спектр частот, дифференцируется, если наивысшая частота в ее спектре значительно меньше 25 ГГц (при 20 Ом и С_д = 2 пФ. что обычно имеет место в реальных условиях, Т = 0,04 нс). Следовательно, что при регистрации ЧР в длинных линиях (при условии, что схема регистрации не искажает форму импульсов) напряжение на выходе равно
U₂(t)=T

.When applying the test voltage from the transformer 1 in the place of the defect (for example, gas inclusion in the dielectric), PDs occur. The appearance of a PD is equivalent to the inclusion of a certain source of pulse voltage U ₁ (t), relative to which OK 2, depending on its design, can be represented by the load in the form of a concentrated capacitance or in the form of a line with distributed parameters (long line). Since the duration of the front of the PD current pulse is in the range of 1-10 ns, for a pulse with a front, for example, τ _f = 5 ns, the wave properties of the OC will appear even at a distance
l = s ^. τ _f = 3 ^. 10 ^{8 .} 5 ^. 10 ^-9 = 1.5 m, where c is the propagation velocity of electromagnetic waves. It follows that when testing individual insulators, relatively short high-voltage bushings, etc. OK relative to the source of PD can be represented as a concentrated capacitance. In this case, an equivalent circuit is used to calculate the apparent PD charge. In this case, the PD source U ₁ (t) through the capacitance C _d induces a charge on OK, which causes a voltage surge U ₂ (t), and U ₂ (t) is proportional to U ₁ (t)
U ₂ (t) = U ₁ (t)

Since _{a>> C;} C _a >> C _d ; and the capacity OK is
C _ok = C _a +

When testing objects such as current leads, stator windings of electrical machines, etc., the load for the PD source will be a long line. This case is shown in figure 1, which corresponds to most of the OK, which have to deal with in practice. When testing such an OK, a long line can be represented on the equivalent circuit with some resistance R = R _ok / 2, where R _ok is the wave impedance of the line. In this case, the voltage source U ₁ (t) is connected through a small capacitance C _d to the resistance R. The transmission coefficient K (j ω) of such a system is
K (j ω) = U ₂ / U ₁ = j ωT / (1+ j ωT). where T = ^R. C _d , ω is the frequency. It is known that under the condition ωT << 1, this circuit is differentiating, and the pulse voltage function of the PD current, containing a certain frequency spectrum, differentiates if the highest frequency in its spectrum is much less than 25 GHz (at 20 Ω and C _d = 2 pF . which usually takes place in real conditions, T = 0.04 ns). Therefore, when recording PD in long lines (provided that the registration circuit does not distort the shape of the pulses), the output voltage is
U ₂ (t) = T

.

При регистрации сигнала ЧР с помощью двухполюсного подключения к корпусу ОК или к другим заземленным элементам снимаемый щупами сигнал U₂(t) также оказывается продифференцированным относительно U₁(t).When registering the PD signal using a two-pole connection to the OK housing or to other grounded elements, the signal U ₂ (t) removed by the probes also turns out to be differentiated with respect to U ₁ (t).

Таким образом, интегрируя U₂(t), получаем первообразную, соответствующую изменению напряжения на емкости включения, т.е.Thus, integrating U ₂ (t), we obtain a primitive corresponding to a change in voltage at the switching capacitance, i.e.

U₁(t)=

U₂(t)dt Максимальный перепад напряжения на емкости включения равен
ΔU₁ = [U₁(t)]_макс, а кажущийся заряд ЧР равен
q= ΔU_в·C_д= ΔU₂·C_ок=q

, где ΔU₂ - изменение напряжения на линии после завершения обмена зарядами и переходного процесса;
q_чр - истинный заряд во включении.U ₁ (t) =

U ₂ (t) dt The maximum voltage drop across the switching capacitance is
ΔU ₁ = [U ₁ (t)] _max , and the apparent charge of the PD is
q = ΔU _in · C _d = ΔU ₂ · C _ok = q

where ΔU ₂ is the change in voltage on the line after the completion of the exchange of charges and the transition process;
q _cr - the true charge in the inclusion.

Однако величины С_в, С_д и ΔU₂ при регистрации импульсов ЧР в линии неизвестны, поэтому возможным способом определения кажущегося заряда является его вычисление через ток ЧР. Для этого можно допустить, что ток в линии при приложении напряжения U₁(t) определяется соотношением
I(t) = U₁(t)/R_ок, тогда кажущийся заряд равен
q=

I(t)dt=

U₁(t)dt Таким образом, при регистрации волны U₂(t) на конце линии для определения q необходимо двойное интегрирование.However, the values of C _in , C _d and ΔU ₂ when registering PD pulses in the line are unknown, therefore, a possible way to determine the apparent charge is to calculate it through the PD current. For this, it can be assumed that the current in the line when voltage U ₁ (t) is applied is determined by the relation
I (t) = U ₁ (t) / R _ok , then the apparent charge is
q =

I (t) dt =

U ₁ (t) dt Thus, when registering the wave U ₂ (t) at the end of the line, double integration is necessary to determine q.

Сигнал ЧР выводится из ОК с помощью цепочки, состоящей из конденсатора 3, фильтра 4 высоких частот и измерительного кабеля 5, и затем подается на вход регистрирующего прибора 6 (фиг.1). Отсутствие отражений при передаче импульсов от ОК в измерительный кабель 5 обеспечивается согласованием их волновых сопротивлений, т.е. R_ок = R_ик. Условия передачи импульса через цепь вывода сигнала ЧР зависят от величины емкости С_с конденсатора 3. В первом случае, если R_ик ^. С_с >> Т_и, где Т_и - длительность импульса, сигнал передается без изменений. В другом случае, когда R_ик ^. С_с < < Т_и, сигнал в кабеле 5 оказывается продифференцированным относительно сигнала, распространяющегося по ОК (фиг.8).The PD signal is output from OK using a chain consisting of a capacitor 3, a high-pass filter 4 and a measuring cable 5, and then fed to the input of the recording device 6 (Fig. 1). The absence of reflections during the transmission of pulses from the OK to the measuring cable 5 is ensured by matching their wave impedances, i.e. R _ok = R _ir . The conditions for transmitting a pulse through the PD signal output circuit depend on the value of capacitance C _from capacitor 3. In the first case, if R _ik ^. With _c >> T _and , where T _and is the pulse duration, the signal is transmitted unchanged. In another case, when R _ik ^. With _c <<T _and , the signal in cable 5 is differentiated with respect to the signal propagating in OK (Fig. 8).

Оба указанных случая являются важными для практики. Действительно для импульса длительностью Т_и = 10 нс и R_ик = 50, Ом величина С_с = 200^.10^-12 Ф. Это означает, что в случаях, когда необходима информация о структуре импульса ЧР, величина С_с должна превышать 200 пФ, причем абсолютная величина С_с не играет роли. Если же требуется информация только об амплитуде импульса ЧР, то С_с может составлять несколько пикофарад, что может быть достигнуто использованием паразитных емкостей конструктивных элементов ОК без применения дорогостоящих и громоздких соединительных конденсаторов.Both of these cases are important for practice. Indeed, for a pulse of duration T _and = 10 ns and R _ik = 50, Ohm, the value of C _s = 200 ^. 10 ^-12 F. This means that in cases where information on the structure of the PD pulse is necessary, the value of C _c should exceed 200 pF, and the absolute value of C _c does not play a role. If information is required only on the amplitude of the PD pulse, then C _c can be several picofarads, which can be achieved by using parasitic capacitances of the OK structural elements without the use of expensive and bulky coupling capacitors.

При испытаниях объектов с сосредоточенной емкостью сигнал ЧР выводится с помощью высоковольтного конденсатора емкостью 200 пФ, а на выходе кабеля 5 включается измерительное сопротивление R_ик. Затем сигнал интегрируется, в результате чего получается импульс с амплитудой, пропорциональной кажущемуся заряду q.When testing objects with a concentrated capacitance, the PD signal is output using a high-voltage capacitor with a capacity of 200 pF, and at the output of cable 5, the measuring resistance R _{ik is} turned on. Then the signal is integrated, resulting in a pulse with an amplitude proportional to the apparent charge q.

Если ОК является линией, а сигнал ЧР выводится с помощью конденсатора малой емкости (С_с = 2-3 пФ), то в кабель 5 поступает сигнал, соответствующий третьей производной от кажущегося заряда ЧР, т.е. d³q/dt³ (фиг.8).If OK is a line, and the PD signal is output using a small capacitor (C _c = 2-3 pF), then a signal corresponding to the third derivative of the apparent charge of the PD, enters cable 5, i.e. d ³ q / dt ³ (Fig. 8).

Фильтром 4 может служить измерительный четырехполюсник в виде отрезка двухпроводной длинной линии. Изменяя длину линии и ее волновое сопротивление, можно выбирать значения нижней ω₁ и верхней ω₂ частот полосы пропускания. Чтобы отфильтровать сигнал промышленной частоты и низкие частоты, соответствующие основным гармоническим помехам, и пропустить высокочастотный сигнал ЧР, полоса частот должна быть в пределах от ω₁ = 3-5 МГц до ω₂ = 30-50 МГц. В реальных условиях сигнал ЧР вместе с помехами имеет вид, показанный на фиг. 9. После фильтрации остается высокочастотная составляющая (фиг.10), которая подается на вход регистрирующего прибора 6. В широкополосном интегрирующем усилителе 7 сигнал усиливается и интегрируется до первообразной, в результате получается импульс, амплитуда котоpого пропорциональна кажущемуся заряду q (фиг.11). Импульсы с разными амплитудами подаются на компаратор 8, на выходе которого формируется последовательность импульсов, амплитуды которых превышают пороговое напряжение U_п, пропорциональное некоторому кажущемуся заряду q. С помощью счетчика 9 и индикатора 10 получают число импульсов N с амплитудой больше q за определенный промежуток времени (например за период испытательного напряжения). Изменяя пороговое напряжение U_п, получают интегральное распределение амплитуд импульсов ЧР N(q), из которого определяют амплитудный спектр импульсов ЧР n(q), по параметрам которого можно сделать заключение о качестве изоляции. При периодической регистрации амплитудного спектра можно судить о тенденциях изменения качества изоляции во времени.Filter 4 can serve as a measuring quadrupole in the form of a segment of a two-wire long line. By changing the length of the line and its wave impedance, one can choose the values of the lower ω ₁ and upper ω ₂ frequencies of the passband. In order to filter the industrial frequency signal and low frequencies corresponding to the main harmonic noise, and to skip the high-frequency PD signal, the frequency band should be in the range from ω ₁ = 3-5 MHz to ω ₂ = 30-50 MHz. Under real conditions, the PD signal together with the interference has the form shown in FIG. 9. After filtering, the high-frequency component remains (Fig. 10), which is fed to the input of the recording device 6. In the broadband integrating amplifier 7, the signal is amplified and integrated to the antiderivative, resulting in a pulse whose amplitude is proportional to the apparent charge q (Fig. 11). Pulses with different amplitudes are fed to a comparator 8, at the output of which a sequence of pulses is formed whose amplitudes exceed a threshold voltage U _p proportional to some apparent charge q. Using the counter 9 and indicator 10, the number of pulses N with an amplitude greater than q is obtained for a certain period of time (for example, for the period of the test voltage). By changing the threshold voltage U _p , we obtain the integral distribution of the amplitudes of the pulses of the PD N (q), from which the amplitude spectrum of the pulses of the PD n (q) is determined, from the parameters of which we can draw a conclusion about the quality of insulation. With periodic recording of the amplitude spectrum, one can judge the trends in the quality of insulation over time.

Claims (2)

1. Способ контроля характеристик частичных разрядов, включающий воздействие на объект контроля испытательным напряжением промышленной частоты и регистрацию амплитудных спектров импульсов частичных разрядов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехозащищенности контроля, осуществляют дифференцирование импульсов частичных разрядов с последующей высокочастотной фильтрацией, полученный сигнал подвергают усилению и интегрированию, а амплитудные спектры импульсов частичных разрядов определяют из интегрального распределения амплитуд импульсов, полученных в результате интегрирования. 1. A method for monitoring the characteristics of partial discharges, including the impact on the test object with a test voltage of industrial frequency and recording the amplitude spectra of the pulses of partial discharges, characterized in that, in order to increase the sensitivity and noise immunity of the control, differentiation of the pulses of partial discharges with subsequent high-pass filtering, the received signal subjected to amplification and integration, and the amplitude spectra of the pulses of partial discharges are determined from the integral about the distribution of the amplitudes of the pulses obtained as a result of integration. 2. Устройство для контроля характеристик частичных разрядов, содержащее испытательный трансформатор, высоковольтный конденсатор, последовательно соединенные фильтр высоких частот, измерительный кабель и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что одной из обкладок конденсатора является токоведущая жила объекта испытаний, параллельно которой расположена проводящая пластина, являющаяся второй обкладкой конденсатора и соединенная с входом фильтра высоких частот, выполненного в виде отрезка двупроводной линии с распределенными параметрами, при этом емкость C_C высоковольтного конденсатора и волновое сопротивление R_и.к измерительного кабеля, выполненного коаксиальным, удовлетворяют соотношению
C_C · R_и.к < T_и,
где T_и - длительность импульса частичного разряда,
а регистрирующий прибор включает в себя последовательно соединенные широкополосный интегрирующий усилитель, компаратор, счетчик импульсов и индикатор.2. A device for monitoring the characteristics of partial discharges, containing a test transformer, a high voltage capacitor, a series-connected high-pass filter, a measuring cable and a recording device, characterized in that one of the plates of the capacitor is a current-carrying core of the test object, in parallel with which there is a conductive plate, which is the second a capacitor plate and connected to the input of a high-pass filter made in the form of a segment of a two-wire line with distributed steam etrami, wherein the high-capacitance capacitor _C C and the characteristic impedance R _IK measuring cable made coaxial, satisfy the relation
C _C · R _and.k <T _and ,
where T _and is the pulse duration of the partial discharge,
and the recording device includes a serially connected broadband integrating amplifier, a comparator, a pulse counter and an indicator.

Images