В прошлом номере нашей газеты мы рассказывали о диагностическом контроле и капитальном ремонте при эксплуатации трансформаторов. В продолжение темы предлагаем читателям познакомиться с опытом акустического обследования высоковольтного оборудования, позволяющего обнаружить источники частичных и других электрических разрядов. Метод основан на локации акустических сигналов от электрических разрядов с помощью ультразвуковых датчиков, регистрирующих приборов, а в ряде случаев – компьютера. Ультразвук, вызванный частичным, искровым или другим электрическим разрядом в жидкости или газе, представляет собой быстро затухающие колебания сжатия-растяжения среды. Слуховой образ такого звука – резкий щелчок. Если источников разрядов много, слуховой образ напоминает звук прибоя.

Распространяясь в маслобумажной или элегазовой изоляции электрооборудования, исходный звук разряда отражается от различных твердых преград и, постепенно затухая, создает послезвучание (реверберацию). Проходя через стенку оборудования, звуковая волна сжатия-разряжения превращается в целый спектр волн (сдвиговых, изгибных, поверхностных и др.). Ультразвуковой датчик преобразует спектр приходящих волн в электрический сигнал. Для повышения чувствительности размеры датчика делаются соизмеримыми с длиной волны принимаемого звука. Амплитудно-частотная характеристика датчика определяется при калибровке по ультразвуковому давлению или по колебательной скорости плоской волны. Однако принимаемые датчиком на стенке электрооборудования ультразвуковые волны не являются плоскими. Тем не менее, при обработке сигналов предполагается, что датчик сохраняет свои характеристики и для преобразования этих волн.

В электрооборудовании могут быть простые и сложные условия распространения ультразвука. В высоковольтных вводах, измерительных трансформаторах, токопроводах обычно имеются простые условия распространения ультразвука, при которых звук от разряда распространяется в почти однородной среде на расстояния порядка сотни длин волн и поэтому затухает незначительно.

В силовых трансформаторах, в элегазовом оборудовании источник электрического разряда может находиться в глубине оборудования. В этом случае ультразвук проходит ряд преград и значительно затухает. Если у небольших маслонаполненных объектов величина акустического сигнала практически одинакова в любой точке поверхности, то при обследовании, например, силового трансформатора это отличие более значительно, и необходимо, перемещая датчик, искать область поверхности с максимальным сигналом.

Для регистрации и анализа сигналов НПО «Техносервис-Электро» использует три различных взаимодополняющих типа приборов, отличающихся способами обработки и регистрации сигналов. Первый тип – цифровые осциллографы, позволяющие регистрировать осциллограмму сигнала и его спектр. Второй тип – распространенный в энергетике ультразвуковой зонд, в котором используется гетеродинирование сигнала (преобразование части ультразвукового спектра в районе частоты гетеродина в слышимый диапазон частот) и прослушивание преобразованного сигнала через наушники. Третий тип – разработанный НПО «Техносервис-Электро» ультразвуковой модератор, который позволяет записать, замедлить и услышать ультразвуковой сигнал.

Значительный опыт использования акустического метода накоплен при диагностическом обследовании измерительных трансформаторов напряжением 110‑400 кВ с длительным сроком службы на подстанциях Сербии.

Обследования подтвердили, что при разрядах в основной изоляции на уровне верхней части бака регистрируемый уровень ультразвукового давления в различных точках поверхности бака отличается не более чем в два раза. Этот факт позволяет проводить акустические обследования подобных измерительных трансформаторов, устанавливая датчик в произвольной точке поверхности. При этом измеренная амплитуда ультразвукового сигнала практически определяется энергией разряда.
В результате обследования 159 трансформаторов тока было выявлено 12 с акустическими сигналами различного уровня. В 6 из них уровень сигнала и характер звука указывали на высокий уровень разрядных процессов в изоляции и предаварийное состояние трансформаторов. Результаты хроматографических анализов газов, растворенных в масле этих трансформаторов тока, и результаты разборки подтвердили наличие дефектов, сопровождающихся частичными разрядами высокого уровня.

Несколько сложнее акустическая диагностика трансформаторов напряжения, так как, кроме ультразвуковых сигналов, обусловленных электрическими разрядами, могут быть сигналы, вызванные виброударами (вибростуками) магнитопровода. При обследовании более 100 измерительных трансформаторов напряжения было выявлено 10 объектов с акустической активностью. Однако у всех трансформаторов акустические сигналы имели, прежде всего, механическую природу.

В качестве примера приведена осциллограмма акустического сигнала, зафиксированного на баке трансформатора напряжения типа 2VPU-123 (58 лет эксплуатации) и частотный спектр этого сигнала. Спектр вибростука содержит частоты ниже 30 кГц, а на слух с помощью ультразвукового модератора слышно четырехкратное повторение глухого звука. Следует отметить, что на фоне вибростука можно не заметить разрядных явлений. В этих случаях оправдан контрольный хроматографический анализ масла.

Обследования показали, что примерно 25 % трансформаторов напряжения, в которых обнаружена акустическая активность, имели дефекты электрического характера.

При акустическом обследовании силового трансформатора, как правило, используется следующий порядок проведения измерений:

1) Бак трансформатора разбивается по периметру и высоте на зоны площадью примерно 0,3…0,8 м2.

2) Проводится предварительный поиск источников акустической активности.

3) Более детально исследуются зоны акустической активности: проводятся запись сигналов с помощью осциллографа и компьютера, а также измерения с помощью акустической антенны. При этом оценивается частотный диапазон и характер источников ультразвуковых сигналов: механический или электрический.

Кроме того, анализ записей сигналов акустической антенны позволяет оценить глубину расположения источника ультразвука.

4) Проводится совместная запись акустических сигналов с сигналами индукционных или резистивных датчиков электрических разрядов, подключенных к измерительным выводам вводов высокого напряжения, а также с сигналом промышленной оценки фазы возникновения сигнала.