Отчет по гранту РФФИ № 13-08-97027 р_поволжье_а

Краткий научный отчет по проекту РФФИ № 13-08-97027 р_поволжье_а «Разработка комплекса физических методов и технических средств для повышения эффективности диагностики твердых изоляционных элементов высоковольтного энергетического оборудования»

(2013-2014)

Организация выполнения проекта: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет» (ФГБОУ ВПО «КГЭУ»)

Руководитель проекта: Голенищев-Кутузов Вадим Алексеевич, профессор кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КГЭУ», д-р физ.-мат. наук.

Исполнители: Голенищев-Кутузов Александр Вадимович, зав. кафедрой «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КГЭУ», д-р физ.-мат. наук; Калимуллин Рустем Ирекович, профессор кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КГЭУ», д-р физ.-мат. наук; Исмагилов Ильдар Рашидович, аспирант кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КГЭУ»; Хасанов Алмаз Асхатович, ассистент кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КГЭУ», канд. техн. наук.

Аннотация по проекту: Бесконтактная дистанционная диагностика высоковольтных изоляторов (ВИ) по характеристикам частичных разрядов (ЧР) является наиболее оптимальным способом контроля текущего состояния ВИ, находящихся под рабочим напряжением. Данный способ для контроля высоковольтного оборудования уже находит применение при лабораторных и заводских испытаниях, как в России, так и за рубежом. Для измерения интенсивности и числа ЧР используется, как правило, какой-либо один способ – электромагнитный, акустический или оптический. Для этого применяются соответствующие приборы, причем практически отсутствуют методики пространственного и временного согласования сигналов ЧР, что затрудняет нахождение дефектов, а также связь параметров ЧР с особенностями дефектов и их влияния на рабочее состояние изолятора.

Предложенный нами способ дистанционной диагностики ВИ основан на пассивном приеме одновременно электромагнитного и акустического сигналов излучения, создаваемого ЧР, с последующим накоплением и компьютерной обработкой. Использование электромагнитного датчика позволяет оценить общий уровень изменения состояния изолятора, а акустический датчик позволяет локализовать место повреждения. При этом сигналы частичных разрядов, детектируемых электромагнитным и акустическим датчиками, согласуются с фазой высокого напряжения, и подсчет числа импульсов и среднего значения их интенсивности проводится раздельно по каждому дискретному интервалу фазового напряжения. Кроме того, программой предусмотрено выделение одиночных, наиболее мощных частичных разрядов с подачей информирующих сигналов об опасности для высоковольтной линии. Для определения конкретного значения фазы используется дополнительный электромагнитный датчик.

Способ осуществляется посредством следующих операций. Используя узконаправленные электромагнитную и акустическую антенны, принимают сигналы частичных разрядов в виде электромагнитных и акустических импульсов соответственно, усиливают их с помощью широкополосных усилителей. Затем импульсы частичных разрядов поступают в аналогоцифровые преобразователи и далее поступают в устройство обработки сигналов с блоком отображения информации и блоком памяти (персональный компьютер с аппаратно-программным комплексом Labview компании National Instruments). Непосредственное отображение усиленных сигналов частичных разрядов осуществляется двухканальным осциллографом, а также визуализируется системой Labview. Электромагнитный и акустический приемники с антеннами предварительно градуируют по чувствительности с учетом расстояния от источника измерения. Затем для каждого типа изоляторов контактным способом, согласно ГОСТ 20074-83, определяются предельные значения интенсивности и числа частичных разрядов, характеризующие дефектное состояние.

Полученное фазовое распределение интенсивности (заряда) и числа импульсов сравнивают с ранее записанным распределением аналогичных сигналов для эталонного изолятора. Выделяют по определенной компьютерной программе сигналы с превышающим безопасным для нормального функционирования уровнем, выявляют изоляторы с дефектами и определяют возможность их дальнейшего функционирования.

Полученные во время проведения экспериментов результаты позволили разработать три диагностических признака, отличающие исправные полимерные изоляторы от дефектных:

1) повышение числа частичных разрядов и их интенсивности за дискретный фазовый интервал;

2) наличие мощных частичных разрядов, превышающих по интенсивности средние значения за фазовый интервал;

3) сдвиг фазовых интервалов числа частичных разрядов с наибольшими интенсивностями.

Однако первым и главным диагностическим признаком является значительное отличие в количестве и интенсивностях ЧР, а также фазовый сдвиг этих значений.

Для контроля микродефектов в изоляторах с целью их дальнейшего соотнесения с сигналами ЧР разработан экспериментальный лазерно-акустический стенд. Работа стенда основана на возбуждении импульсным лазерным источником, сканирующим поверхность объекта контроля, акустических волн, параметры которых изменяются в случае их взаимодействия с дефектами. Акустический сигнал снимается пьезоэлектрическим датчиком, визуализируется цифровым осциллографом, а также накапливается и анализируется в персональном компьютере. Исследованы процессы взаимодействия с различными типами твердых материалов (металлы, диэлектрики с покрытиями и без) и разработаны способы идентификации как поверхностных, так и подповерхностных дефектов типа «полость» пока неглубокого залегания.

На созданных стендах выполнена оценка параметров микродефектов и их влияния на последующие деградационные процессы и механизмы разрушения.

Разработано мобильное устройство, включающее в себя электромагнитный и акустический датчики с компьютерной системой (ноутбук) считывания сигналов с датчиков и с последующей обработкой и распределением сигналов по амплитуде и фазе.

Полученные в ходе выполнения проекта важнейшие результаты:

1. Разработан и создан экспериментальный стенд для исследования параметров частичных разрядов (ЧР), возникающих в твердых изоляционных элементах высоковольтного электроэнергетического оборудования, включающий генератор высокого напряжения, электромагнитный и акустический бесконтактные и электрический контактный датчики, блок регистрации, накопления и обработки сигналов ЧР по амплитуде и частоте повторения в каждом фазовом интервале переменного высокого напряжения.

2. Разработан компьютерный способ анализа сигналов от дефектов и неоднородностей диэлектрических элементов. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612238 от 21.02.2014 «Программа записи, обработки и распределения сигналов частичных разрядов по амплитуде и фазе». Данная программа обеспечивает выполнение следующих функций: считывание сигналов с датчиков; фильтрация шумов сигнала; разделение данных сигнала по фазам и амплитуде.

3. Разработан и создан лабораторный стенд для анализа поверхностных и приповерхностных микроразмерных дефектов и неоднородностей лазерно-акустическим способом путем сканирования сфокусированным лазерным пучком исследуемых объектов и детектирования генерируемых лазерным пучком акустических импульсов.

4. С помощью созданного экспериментального стенда для исследования ЧР исследованы особенности электрического разряда через микроразмерные дефекты в модельных диэлектрических образцах (керамические и полимерные материалы). Изучены ЧР при нарушении сплошности (газовые полости) внутри материалов и на границах металл-диэлектрик. Разработана схема представления полученных результатов в виде амплитудно-частотно-фазовых характеристик в зависимости от вида и параметров дефекта.

5. На созданных стендах выполнена оценка параметров микродефектов и их влияние на последующие деградационные процессы и механизмы разрушения.

6. Разработано мобильное устройство, включающее в себя электромагнитный и акустический датчики с компьютерной системой считывания сигналов с датчиков, и с последующей обработкой и распределением сигналов по амплитуде и фазе.

Библиографический список всех публикаций по проекту за весь период выполнения проекта, в порядке значимости: монографии, статьи в научных изданиях, тезисы докладов и материалы съездов, конференций и т.д.

1. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Марданов Г.Д., Синюгин И.Е. Комплексная дистанционная диагностика состояния высоковольтных изоляторов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2013. – N 9-10. – С. 69-72.

2. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов А.А., А.В. Мороз, С.А. Степанов. Лазерно-акустическая дефектоскопия тонких металлических пленок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2013. - № 5-6. - С. 124-127.

3. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Синюгин И.Е., Хуснутдинов Р.А., Марданов Г.Д. Дистанционная диагностика высоковольтных полимерных изоляторов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2014. – N 7-8. – С. 77-82.

4. Исмагилов И.Р., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов А.А. Обнаружение поверхностных и объемных дефектов в металлах лазерно-акустическим способом // Дефектоскопия. – 2014. – №6. – С. 16–24.

5. Голенищев-Кутузов А.В., Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Семенников А.В. Временной теневой способ идентификации поверхностных трещин в металлических изделиях // Машиностроение и инженерное образование. – 2014. – №3. – С.32-37.

6. Голенищев-Кутузов А.В., Синюгин И.Е., Марданов Г.Д. Система анализа частичных разрядов возникающих в высоковольтной изоляции, с использованием среды Labview // XXII ежегодная конференция компании National Instruments «Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments – 2013»: Сборник трудов конференции. М.: ДМК-Пресс, 2013. – С. 56-58.

7. Исмагилов И.Р., Хасанов А.А. Теневой лазерно-акустический метод контроля приповерхностных дефектов в твердых телах // Международная молодежная научная конференция «XX Туполевские чтения»: Материалы конференции. Том IV. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2013. – С.507-511.

8. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов А.А. Лазерно-акустический контроль поверхностных и скрытых подповерхностных дефектов // Международная научно-техническая конференция «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы – 2013» и Форум «Повышение конкурентноспособности и энергоэффективности машиностроительных предприятий в условиях ВТО»: Сборник трудов. Ч.2. – Казань: Фолиант, 2013. – С. 32-37.

9. Голенищев-Кутузов А.В., Калимуллин Р.И., Синюгин И.Е., Хуснутдинов Р.А., Марданов Г.Д. Структура компьютерной системы измерения характеристик частичных разрядов в высоковольтных изоляторах // Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments NIDays – 2014: Сборник трудов XIII международной научно-практической конференции, Москва 19-20 ноября 2014 г. – М.: ДМК-пресс, 2014. – С. 402-404.

10. Голенищев-Кутузов А.В., Синюгин И.Е. Комплексный дистанционный способ диагностики рабочего состояния и прогнозирования дальнейшего срока службы высоковольтных диэлектрических элементов // Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в Республике Татарстан: Труды XIV Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 18-20 марта 2014 г. – Казань: ООО «ТаГраф», 2014. – С. 444-446.

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612238. Программа записи, обработки и распределения сигналов частичных разрядов по амплитуде и фазе / Голенищев-Кутузов А.В., Синюгин И.Е., Марданов Г.Д. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21.02.2014.