Численное моделирование датчиков частичных разрядов на основе метода конечных элементов для задач диагностики изоляции
С.Н. Литвинов
Вестник ИГЭУ, 2025 г. выпуск 6, сс. 58—68
Скачать PDF
Состояние вопроса. Для диагностики частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования используются различные типы датчиков, в том числе и индуктивные. Традиционные подходы не позволяют полноценно анализировать переходные процессы, возникающие в электрической цепи, содержащей индуктивный датчик, поскольку они не учитывают его характеристик. Для получения сколько-нибудь достоверных результатов требуется градуировка измерительного канала, что не всегда возможно в условиях реальной эксплуатации. В то же время точное моделирование индуктивного датчика, учитывающее все физические процессы, возникающие в нем при протекции импульсного тока частичного разряда, позволит не только получить его характеристики, но и рассчитать кажущийся заряд – ключевой параметр для оценки состояния изоляции. Таким образом, разработка модели, позволяющей исключить необходимость градуировки измерительного канала и напрямую связать зарегистрированный сигнал с физическими параметрами разряда, является актуальной задачей.
Материалы и методы. Разработка гибридной имитационной модели основана на сочетании численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов с анализом эквивалентной электрической цепи и учете магнитного поля, токов смещения через межвитковые емкости и взаимодействия с внешней цепью. Для анализа импульсного сигнала использовано дискретное преобразование Фурье и метод наложения гармоник. Расчет кажущегося заряда выполнен интегрированием тока за четверть периода.
Результаты. Разработана гибридная имитационная модель, позволяющая рассчитывать индуктивность датчика с погрешностью 3,1 % относительно аналитического решения, определять резонансную частоту и добротность, восстанавливать форму импульсного сигнала частичных разрядов по первой и третьей гармоникам с погрешностью 1,84 %, вычислять величину кажущегося заряда.
Выводы. Предложенная модель позволяет проектировать и анализировать индуктивные датчики частичных разрядов, исключать градуировку измерительного канала и получать характеристики разряда расчетным методом, напрямую связывая зарегистрированный сигнал с физическими параметрами разряда. Модель универсальна, ее можно применять как для традиционных измерительных преобразователей, так и для систем на базе датчиков без ферромагнитного сердечника. Результаты подтверждены сравнением с аналитическими расчетами и могут быть использованы для автоматизированной диагностики изоляции.
1. Коробейников С.М., Вечеркин М.В. Физика возникновения, характеристика и классификация частичных разрядов в высоковольтном оборудовании // Электротехнические системы и комплексы. – 2010. – № 18. – С. 204–212.
2. Kunicki M., Kabot O., Kozio M. Partial Discharge Diagnostics of High Voltage Instrument Transformers – Case study // 2023 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2023 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe). – Madrid, Spain, 2023. P. 1–5. DOI: 10.1109/EEEIC/ICPSEurope57605.2023.10194710.
3. Исследование частотных характеристик индуктивных датчиков в схемах измерения частичных разрядов / А.В. Жуйков, П А. Колпакова, Д.А. Матвеев и др. // Электричество. – 2023. – № 7. – С. 35–46. DOI: 10.24160/0013-5380-2023-7-35-46. – EDN DGUVHX.
4. О применении высокоиндуктивных датчиков для измерения сигналов частичных разрядов электрическим методом в условиях заводских испытаний / А.В. Жуйков, П.А. Колпакова, Д.А. Матвеев и др. // Электричество. – 2023. – № 10. – С. 37–47. DOI: 10.24160/0013-5380-2023-10-37-47. – EDN CYOCBK.
5. Calibration Methods of Partial Discharge Measuring for Online Insulation Diagnosis / A. Fujimoto, T. Harakawa, M. Takanezawa, H. Tsubakihara // 2022 9th International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD). – Kitakyushu, Japan, 2022. P. 550–554. DOI: 10.23919/CMD54214.2022.9991632.
6. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов: в 3 т. Т. 3 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. – СПб.: Питер, 2003. – 377 с.
7. Mor A.R., Castro Heredia L.C. Practical frequency response characterization of a test circuit for partial discharge measurements // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – August 2018. – Vol. 25, No. 4. – Р. 1535–1544. DOI: 10.1109/TDEI.2018.006884.
8. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. – 3-е изд. – Ленинград: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. – 488 с.