Анализ применения метода акустической эмиссии для диагностики силового оборудования в России и за рубежом



Анализ применения метода акустической эмиссии для диагностики силового оборудования вРоссии иза рубежом

Тюрюмина Анастасия Владимировна, аспирант;

Батрак Андрей Петрович, кандидат технических наук, доцент;

Секацкий Виктор Степанович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

Сибирский федеральный университет (г. Красноярск)

Данная статья содержит результаты литературного и патентного поиска информации о применении метода акустической эмиссии в России и за рубежом для диагностики состояния силового оборудования.

Ключевые слова: метод акустической эмиссии, трансформатор, диагностика, техническое состояние

Силовые трансформаторы являются наиболее дорогими и важными составляющими любой энергетической системы. Их надежность определяет работы энергетической системы. Разрушение изоляции трансформатора может привести к серьезной поломке силового трансформатора, что приведет к достаточно большим финансовым потерям ввиду простоя оборудования. Для предотвращения поломки применяются различные методы оценки состояния трансформатора. Однако, большинство из них не подходят для диагностики в режиме реального времени. Мы предлагаем использовать метод акустической эмиссии как комплексный метод диагностики для определения неисправностей на ранней стадии их появления. [1–5]

По результатам проведенных литературного и патентного поиска установлено, что уже в течение 25 лет [6] метод акустической эмиссии изучается в Польше, Бразилии и на Тайвани в качестве диагностического метода для определения влияния частичных электрических разрядов. [7–11]

Различные физические явления сопровождаются появлением и развитием частичных электрических разрядов в изоляционных системах. Это могут быть химические изменения изоляции, появление токопроводящих импульсов и эмиссии электромагнитной волны, ударного упругой деформации с последующей генерацией акустической волны. [7] Чтобы избежать этих эффектов, может быть применен метод акустической эмиссии, который сейчас является значимым дополнением к другим методам измерения, используемым для диагностики изоляционной системы трансформатора, измерения тока и напряжения трансформатора, силовых конденсаторов и проходных изоляторов.

Основное значительное достоинство метода акустической эмиссии заключается в возможности его применения в сложных условия работы силового оборудования, когда измерение частичных электрических разрядов другими методами становится невозможным. Он позволяет определить кальку появления частичных электрических разрядов при работе силового оборудования, определяя месторасположение частичных электрических разрядов в изоляционных системах.

Область применения метода акустической эмиссии может быть ограничено следующими факторами: высокий уровень акустического шума (помех, сложная геометрия измеряемых объектов, которая не позволяет расположить измерительные датчики на их поверхности; применение диэлектрических или изоляционных систем с низким коэффициентом упругости и сложной геометрией.

Основным применением метода акустической эмиссии является диагностика изоляции силового оборудования. До настоящего времени значительная часть исследований была сосредоточена на следующих основных задачах:

− объяснить и математически описать появление и распространение акустических волн, излучаемых частичными электрическими разрядами, в различных типах диэлектрических и изоляционных систем;

− выбрать измерительное оборудование, особенно измерительные датчики для получения акустических сигналов от частичных электрических разрядов в различных типах силового оборудования;

− запись, анализ и интерпретация полученных результатов.

Для описания записанных акустических импульсов, из огромного ассортимента параметров была выбрана группа из пяти признаков. Они могут сделать возможным определение основных форм частичных электрических разрядов в масляных изоляционных системах. Однако, эта идентификация является релевантной только в лабораторных условиях и при экспериментах, которые проводятся в строго определенных метрологических условиях.

Однако, применения метода акустической эмиссии требует решения следующих проблем: необходимость постоянного улучшения интерпретации результатов; безошибочное определение интенсивности и размера частичных электрических разрядов; создание относительно точной схемы замены акустической установки изоляции энергетического оборудования; выполнение комплексного анализа временных и частотных областей для определения возможных источников отклонений, появляющихся в процессе измерения; выполнение анализа и определения той части энергия, выделяющейся во время появления частичных электрических разрядов и соответствующей определенному типу радиационных волн; выбор программного обеспечения и методов для анализа и интерпретации измерения результатов акустических сигналов, генерируемых частичными электрическими разрядами.

Для измерения акустических импульсов, Бокзар [6] использовал пьезоэлектрический широкополосный электроконтактный преобразователь серии WD типа AH 17, производства американской фирмы «ПАК» (Physical Acoustic Corporation). Он был расположен на задних стенках и верхнем уровне жидкости резервуара трансформатора. Это сделало возможным измерение акустических сигналов в следующих условиях: практически плоские амплитудные характеристики для частоты в диапазоне от 0 до 15 МГц, максимальное значение амплитуды ±5 дБ. Измеряемые акустические сигналы были усилены и подвержены первичной фильтрации с помощью стандартного измерительного усилителя типа «Nexus 26921 — OS1», производства фирмы «Брюэль и Къер».

Регистрация измеряемых акустических сигналов была осуществлена с помощью измерительной карты «National Instruments type NI 5911», которая совместима с частичными электрическими разрядами. Карта оснащена датчиком с эталонной максимальной частотой, регулируемой в диапазоне от 8 до 21 байта и 100 МГц. Регистрируемые акустические сигналы анализировались во временной, частотной и временно-частотной областях и были визуализированы с помощью программ Mathcad 2001i and Matlab 6.0. [6]

В России результаты подобных исследований отражены в патентах на изобретения. Более подробная информация о них приведена ниже.

Патент на изобретение № 2532143 на метод определения нелинейного акустического параметра жидкостей и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к области физической акустики и предназначено для изучения акустических свойств жидкостей, таких как морская вода и различные технические жидкости. Метод включает излучение и прием сигналов как минимум двух разных частот, прошедших через измерительный участок, одним излучателем, работающим в режиме излучение-прием. Интервал времени между импульсами выбирают таким, чтобы затух предыдущий импульс. Измерительный участок представляет собой расстояние между поверхностью излучателя и расположенный соосно с ним в параллельной плоскости отражающей поверхностью. Осуществляют фильтрацию сигналов на разностной частоте, измеряют амплитуды давления волн разностной частоты и затем определяют параметр нелинейности по величине нелинейного акустического параметра.

Технический результат — повышение разрешающей способности по пространству, чувствительности к проявлению слабых нелинейных эффектов, а также увеличение достоверности измерений на малой измерительной базе благодаря возможности накапливать нелинейные эффекты на большом расстоянии пробега волн накачки, которое ограничено только длиной затухания звукового импульса. [12]

Патент на изобретение № 2492460 на способ акустической диагностики технического состояния энергетического оборудования и устройство для его осуществления.

Использование для акустической диагностики технического состояния энергетического оборудования. Сущность заключается в том, что выполняют периодическое излучение акустического зондирующего сигнала перпендикулярно поверхности контролируемой жидкости, находящейся в герметичной емкости, при этом предварительно тарируют период возбуждаемых акустическим зондирующим сигналом в герметичной емкости с контролируемой жидкостью акустических гармонических колебаний в функции уровня контролируемой жидкости и период и в функции температуры контролируемой жидкости, регистрируют приемно-излучающим модулем вынужденные затухающие акустические гармонические колебания, измеряют температуру контролируемой жидкости и период вынужденных затухающих акустических гармонических колебаний и по тарировочным характеристикам определяют текущее значение уровня контролируемой жидкости. Регистрируют приемно-излучающим модулем в промежуток времени между смежными излучениями акустического зондирующего сигнала акустические шумы работающего энергетического оборудования, а также регистрируют их спектральные характеристики и оценивают техническое состояние энергетического оборудования, а также регистрируют приемно-излучающим модулем в промежуток времени между смежными излучениями акустического зондирующего сигнала акустические шумы, возникающие вследствие частичных разрядов, анализируют их интенсивность и оценивают состояние изоляции энергетического оборудования.

Технический результат — обеспечение точности и надежности диагностики технического состояния энергетического оборудования за счет полного контроля диагностических параметров. [13]

В рамках своих исследований мы использовали метод акустической эмиссии для изменения акустических сигналов, генерируемых примесями (вода, целлюлоза, газовая фаза) в трансформаторном масле и для последующего анализа их частотного спектра с целью получения информации о техническом состоянии трансформатора. [14–19]

Литература:

1. Тюрюмина А. В., Батрак А. П., Секацкий В. С. Современное состояние вопроса диагностики силовых трансформаторов // Современное состояние вопроса диагностики силовых трансформаторов. — 2015. — № 3(3). — С. 245–250.
2. Tyuryumina A. V. Importance of transformer condition evalution // Материалы научн. конф. Проспект Свободный-216, посвященной Году образования в Содружестве Независимых Государств. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. — С. 47–48.
3. Тюрюмина А. В., Батрак А. П., Секацкий В. С. Современное состояние вопроса диагностики силовых трансформаторов в зарубежных странах // Молодой ученый. — 2016. — № 8(112). — С. 321–325.
4. Tyuryumina A. V. Evaluation of transformer condition by acoustic method // Материалы научн. конф. Проспект Свободный-216, посвященной Году образования в Содружестве Независимых Государств. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. — С. 55–58.
5. Тюрюмина А. В., Батрак А. П. Современное состояние вопроса диагностики силовых трансформаторов // Материалы V Международной научно-практической конференции «Проблемы теории и практики современной науки». — М.: издательство «Перо», 2016. — С. 103–106.
6. Boczar T. Application of signal processing elements for the characteristics of acoustic emission pulses generated by partial discharges // Physics and chemistry of solid state. — 2007. — № 3. — С. 610–617.
7. Boczar T., Frącz P. Comparison of the measurement results of electrical discharges registered by the acoustic emission and optical spectrophotometry methods // Physics and chemistry of solid state. — 2006. — № 3. — С. 564–571.
8. Wotzka D., Cichoń A., Boczar T. Modeling and Experimental Verification of Ultrasound Transmission in Electro Insulation Oil // Archives of acoustics. — 2012. — № 1. — С. 19–22.
9. Park D., Choi S., Kil G. Measurement and Analysis of Acoustic Signal Generated by Partial Discharges in Insulation Oil // The 7th WSEAS International Conference on Power Systems. — Beijing, 2007.
10. Santos Filho O. G., Zaghetto S. L., Pereira G. O. Case studies of electric power equipment diagnostics using acoustic emission // 17th World conference on nondestructive testing. — Shanghai, 2008.
11. Boczar T., Frącz P. The application of the correlative analysis and the regression function for determining correlations of the measurement results of acoustic emission generated by partial discharges // ACTA PHYSICA POLONICA A. — 2009. — № 3. — С. 281–284.
12. Пат. 2532143 Российская Федерация, МПК G01N29/02, G01S15/88. Метод определения нелинейного акустического параметра жидкостей и устройство для его осуществления / И. В. Корсков, В. А. Буланов, П. Н. Попов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук — № 2013130643/28; заявл. 03.07.13; опубл. 27.10.14. – 1 с.
13. Пат. 2492460 Российская Федерация, МПК G01N29/00. Способ акустической диагностики технического состояния энергетического оборудования и устройство для его осуществления / И. А. Кайманов; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр «АРГО» (ООО НТЦ «АРГО») — № 22012108904/28; заявл. 07.03.12; опубл. 10.09.13. – 1 с.
14. Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Акустический способ экспресс диагностики маслонаполненного энергооборудования // труды XIII Междунар. молодеж. науч. конф. «Интеллект и наука». — Железногорск: Железногор. филиал СФУ, 2013. — С. 144–145.
15. Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Сравнение качественных характеристик трансформаторных масел // Тяжелое машиностроение. — 2013. — № 3. — С. 41–44.
16. Батрак А. П., Чупак Т. М., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Акустический анализ свойств трансформаторных масел // Тяжелое машиностроение. — 2014. — № 45. — С. 45–46.
17. Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Акустическая диагностика как показатель качества свойств трансформаторных масел // труды XIV Всерос. молодеж. науч. конф. с междунар. уч. «Интеллект и наука». — Железногорск: Железногор. филиал СФУ, 2014. — С. 113–115.
18. Батрак А. П., Тюрюмина А. В., Никитина А. В. Факторный анализ качественных характеристик трансформаторного масла. Молодежь и XXI век — 2015 // материалы V Международной молодежной научной конференции. — Курск: ЗАО «Университетская книга», 2015. — С. 259.
19. Тюрюмина А. В., Секацкий В. С., Батрак А. П. Диагностика состояния силового трансформатора в критических условиях эксплуатации // тез. докл. XVIII Всерос. симпозиума с междунар. участием Сложные системы в экстремальных условиях. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. — С. 87.