Какие параметры импульсов ЧР нужно измерять

В зависимости от сложности и стоимости аппаратуры можно измерять различные параметры импульсов. Первое и основное разделение – измерять некий набор параметров каждого импульса (с последующей обработкой) или измерять некие усредненные характеристики импульсов, такие как средний ток, количество импульсов превышающих заданный порог и т.п. В первом случае мы увеличиваем сложность и стоимость аппаратуры – во втором теряем некоторую информацию (в частности, возможность отличить сигнал ЧР от помехи по форме импульса и др.). Общего однозначного решения этого вопроса, вероятно, не существует, однако на основании уже накопленного опыта можно предложить вариант оптимального на наш взгляд решения.

Сначала рассмотрим случай, когда мы регистрируем характеристики каждого импульса, т.е. располагаем максимальной информацией. В зависимости от сложности и стоимости аппаратуры можно регистрировать следующие индивидуальные характеристики импульса ЧР:

– форму каждого импульса и время его появления

– амплитуду, полярность, длительность и время появления

– амплитуду и время появления

– только амплитуду

Регистрация формы – самая полная но, увы, очень дорогая характеристика. При регистрации амплитуды импульса сразу встает вопрос – что называть амплитудой в случае, если импульс имеет колебательную форму (рис 3.2.24) – амплитуду первого пика или максимальное значение модуля сигнала? При такой форме импульса встает аналогичный вопрос по поводу полярности и длительности сигнала. Параметры сигналов ЧР, регламентированные в существующих нормативных документах, практически невозможно использовать при такой форме импульсов, особенно с учетом того, что интеграл импульса (заряд) может быть равен нулю.

Рис 2.24 Типичная форма сигнала ЧР

Для того чтобы не усложнять дальнейшее изложение, давайте сохраним термин амплитуда, понимая под ним некий параметр характеризующий величину сигнала. На наш взгляд наиболее удачными приближениями являются максимальная амплитуда или энергия (т.е. интеграл квадрата напряжения), но им может служить и заряд, и что-то еще – в общем, кому что нравится. Аналогичным образом поступим и с длительностью импульса и с его полярностью.

В результате многочисленных экспериментов пришли к выводу, что оптимальной с точки зрения соотношения стоимость – информативность является регистрация только двух параметров – «амплитуды» и времени прихода импульса.

Хранение и представление информации

Будем считать, что для каждого пришедшего импульса измерительная аппаратура дает нам эти параметры. Адекватной формой хранения информации является таблица, в строчках которой записываются амплитуда и фаза (время появления) каждого зарегистрированного импульса. Из-за стохастической природы ЧР, для получения необходимой точности измерения (т.е. определения характеристик ЧР контролируемого объекта с необходимой точностью) требуется накопление информации за 500 – 5000 периодов питающего напряжения. С учетом наличия помех общее количество зарегистрированных за одно измерение сигналов достигает десятков и сотен тысяч. И если такая форма записи подходит для хранения данных (в виде файла), то для представления полученных данных она несколько неудобна. Рассмотрим другой способ представления полученных данных.

Амплитудно-фазовые диаграммы (АФД)

Точечная форма АФД

Возьмем лист бумаги и отложим по горизонтальной оси фазу (от нуля до 360 градусов), а по вертикальной оси – амплитуду сигнала. Для каждого зарегистрированного сигнала у нас есть две характеристики – амплитуда и фаза. Будем рассматривать их как две координаты точки на плоскости листа. Каждый зарегистрированный сигнал будем отмечать точкой, поставленной в соответствии с измеренными значениями амплитуды и фазы импульса. После достаточно длительного измерения, мы получим картину похожую на приведенную на рис. 2 (реальные данные). Это и есть АФД с точечной формой представления данных.

Рис 2.25 Точечная амплитудно-фазовая диаграмма

Сравним этот способ запоминания и представления данных с таблицей, о которой говорилось выше. Если с точки зрения хранения данных не произошло каких-либо изменений (наш график с точки зрения компьютера это та же таблица), то форма представления данных стала гораздо удобнее (по крайней мере, на наш взгляд). Самое главное это то, что, получив возможность «одним взглядом» оценить сразу все полученные данные, мы не потеряли никакой информации. Каждый импульс зарегистрирован и может быть рассмотрен. По такой АФД мы можем определить все важнейшие характеристики сигналов ЧР, такие как фазовые распределения сигналов в заданном интервале амплитуд, амплитудные распределения импульсов в любом фазовом интервале, зависимость интенсивности сигналов от амплитуды (заряда) и т.д.

Стандартная форма АФД

Сразу же отметим, что точечное представление данных на АФД практически не используется. Во-первых, в таком виде ей неудобно пользоваться т. к. близко лежащие точки сливаются и становятся неразличимы. Кроме того, для определения числа импульсов, поступивших в интересующую нас зону (фазовый и амплитудный интервалы) приходится считать отдельные точки.

Второй (и основной) причиной является то, что такой метод регистрации сигналов ЧР (измерение амплитуды и фазы каждого импульса ЧР) является неэкономичным, т. к. для запоминания параметров каждого из зарегистрированных импульсов требуемся много памяти и места на дисковом накопителе. Т.е. неудобен сам способ запоминания и хранения данных.

Рис. 2.26 Стандартная АФД

Рассмотрим сначала точечную форму АФД показанную на рис. 2. Добившись наглядности представления данных, мы не потеряли ничего. Из рис. 2. можно определить любой из требуемых ГОСТом параметров (с точностью до проблем, описанных в п. 2.) таких как ток ЧР, максимальный зарегистрированный заряд, частоту следования импульсов в любом интервале амплитуд, энергию и мощность ЧР, квадратичный параметр и т.д. Мы не потеряли никакой информации, правда, при точечной форме АФД ничего и не выиграли в объеме запоминаемых данных.

Теперь рассмотрим стандартную форму АФД (рис. 3). Наиболее важным моментом является то, что при таком подходе количество запоминаемой информации перестало зависеть от общего числа зарегистрированных сигналов. Теперь необходимый объем памяти определяется требуемой точностью измерения амплитуды и фазы, которая пропорциональна числу интервалов, на которые мы разбиваем оси координат, т.е. числу ячеек матрицы.

На первый взгляд, при построении матрицы мы полностью потеряли информацию о конкретных импульсах ЧР. Мы уже не можем сказать, в какое конкретное место внутри ячейки попал импульс, но какова была его амплитуда и фаза, мы, по прежнему, знаем, правда, с точностью до размера ячейки. Таким образом, единственная разница между этими формами АФД – это точность определения амплитуды и фазы импульсов. Если в первом случае точность измерения амплитуды и фазы определялась измерительным прибором, то во втором случае, она ограничивается числом разбиений по амплитуде и фазе. Иными словами, на первый взгляд, мы снизили изначально более высокую точность измерений до некоторого уровня.

Сущность метода измерения частичных разрядов заключается в следующем. В момент появления частичного разряда в кабельной линии возникает два коротких импульсных сигнала, длительности которых десятки-сотни наносекунд. Эти импульсы распространяются к разным концам кабельной линии. Измеряя импульсы, достигшие начала кабеля, можно определить расстояние до места их возникновения и уровень.

Структурная схема измерений частичных разрядов в кабельных линиях показана на рисунке. Основными узлами измерительной схемы являются: компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях и высоковольтный адаптер. Компьютерный анализатор дефектов и частичных разрядов в кабельных линиях может быть выполнен в виде совокупности измерительного блока и портативного компьютера (как показано на рисунке) или в виде специализированного измерительного прибора. Высоковольтный адаптер служит для развязки компьютерного анализатора и источника воздействующего напряжения. Так, короткие импульсы напряжения, распространяющиеся в кабельной линии, беспрепятственно проходят на вход рефлектометра TDR или на выход частичных разрядов, но не попадают в низкочастотный (50 или меньше герц) источник напряжения. В тоже время напряжение (1…1,2)*Uраб от источника беспрепятственно поступает на кабельную линию. В качестве воздействующего напряжения может служить напряжение промышленной сети или напряжения от источника сверхнизкой частоты.

Сначала кабельная линия отключается от источника воздействующего напряжения, вызывающего появление частичных разрядов. При помощи кнопки Кн на высоковольтном адаптере (или специального устройства) проверяют разряженность кабельной линии. Компьютерный анализатор включают в режим импульсного рефлектометра и снимают рефлектограмму кабельной линии. По рефлектограмме определяют длину кабельной линии и коэффициент затухания импульсов в линии.

Рис 2.27 Определение дефектов изоляции

Затем переключают компьютерный анализатор в режим измерения частичных разрядов.

Далее снимают гистограмму – распределение частоты следования n импульсов частичных разрядов от амплитуд импульсов от частичных разрядов Uчр, пришедших к началу кабельной линии.

По гистограмме n=f(Uчр) можно сделать вывод о наличии и количестве слабых мест (потенциальных дефектов) в кабельной линии.

Так, на рисунке показана гистограмма кабельной линии с тремя потенциальными дефектами. Дефект №1 имеет самую высокую частоту следования n1 и самую маленькую амплитуду импульсов U1. Соответствующие параметры имеют дефект №2 и дефект №3.

По амплитуде импульсов частичных разрядов, представленных на гистограмме, еще нельзя делать вывод о мощности частичного разряда в месте дефекта, так как пока неизвестно расстояние до него. В тоже время известно, что импульсы частичных разрядов, имея малые длительности, сильно затухают при распространении по кабельной линии. Поэтому следующим шагом является измерение расстояния до каждого из дефектов.

Компьютерный анализатор дефектов позволяет измерить расстояние до каждого из дефектов: L1, L2 и L3 и сохранить их в памяти.

Далее, на основе гистограммы и данных о расстоянии до каждого из дефектов, компьютерный анализатор вычисляет мощность частичных разрядов в каждом из дефектов и строит сводную таблицу дефектов.