Частотно регулируемый последовательный резонанс без частичных разрядов

Вот это сочетание — частотная настройка, последовательный резонанс и требование отсутствия частичных разрядов (ЧР) — часто воспринимается как некий идеал, почти абстракция. Многие в спецификациях пишут ?обеспечивает испытания без ЧР?, но на практике, когда начинаешь гонять установку на реальном объекте, скажем, на кабеле 110 кВ в сыром коллекторе, вылезают нюансы, о которых в каталогах умалчивают. Речь не просто о подаче напряжения, а о создании чистого, стабильного синуса на резонансной частоте, при котором начальная ионизация в объекте просто не успевает развиться в регистрируемый разряд. Это не просто ?включил и работает?, это постоянный контроль и понимание, откуда что берется.

Где кроется дьявол: неочевидные источники помех

Основная ошибка — считать, что если система вошла в резонанс по току и cos φ близок к единице, то условия ?без ЧР? выполнены автоматически. Как бы не так. Сам преобразователь, особенно если речь о старых IGBT-модулях, может вносить высокочастотные гармоники. Они по амплитуде мизерные на фоне основного напряжения, но для датчика ЧР, настроенного на определенную полосу, это может быть фон, маскирующий реальные проблемы или, что хуже, воспринимаемый как ложные разряды.

У нас был случай на испытаниях силового трансформатора. Использовали установку от ООО Ухань Мусен Электрик (их ассортимент, кстати, хорошо описан на https://www.msdq.ru и включает, среди прочего, частотно-регулируемые резонансные испытательные установки). Так вот, система вроде бы работала чисто, но детектор ЧР показывал нестабильный шумовой фон. Стали разбираться. Оказалось, проблема в заземлении экрана контрольного кабеля, идущего от датчика к анализатору. Он образовал петлю и ловил наводки от системы охлаждения инвертора. Мелочь, а сбивала с толку всю бригаду.

Отсюда вывод: условие без частичных разрядов — это системное требование ко всему контуру: чистота питающей сети (обязателен отдельный стабилизатор или фильтр), качество земли, экранировка всех измерительных цепей и, что критично, конструкция самой катушки индуктивности. Ее собственная частичная разрядная характеристика должна быть на порядки выше испытательного напряжения. Видел, как на старых советских дросселях при 90 кВ начиналось тихое потрескивание — это и есть внутренний ЧР самой аппаратуры, который сводит на нет все испытания.

Практика настройки: не по учебнику

В теории резонансная частота считается по формуле f = 1/(2π√LC). На практике емкость объекта (С) — величина плавающая. Она зависит от температуры кабеля, влажности изоляции, даже от того, как лежит несимметричная жила. Поэтому процесс ввода в резонанс — это не задал частоту и поехал, а медленная ?раскачка? с постоянным контролем формы сигнала на осциллографе.

Я предпочитаю начинать с плавного подъема частоты от минимальной, следя за фазовым сдвигом между током и напряжением. Момент, когда они синхронизируются, — это и есть резонанс. Но здесь есть ловушка: при изменении частоты может меняться и добротность (Q) контура. Высокая добротность — это хорошо, она позволяет малым током на выходе инвертора получить высокое напряжение на объекте. Однако слишком высокая добротность делает систему ?жесткой?, чувствительной к малейшим изменениям параметров. Если объект ?поплывет? (например, из-за нагрева), резонанс может сорваться, и напряжение на объекте резко упадет, что недопустимо при длительных испытаниях.

Поэтому алгоритм такой: вывел на резонанс, стабилизировал, затем мелкими шагами начал поднимать напряжение до испытательного уровня, постоянно возвращаясь к подстройке частоты. На всем протяжении этого процесса мониторинг ЧР должен вестись в непрерывном режиме. Если на каком-то этапе, допустим на 0.7 Uном, появляется стабильный источник разрядов, нужно остановиться. Это не обязательно брак — возможно, это монтажный дефект, влага в муфте. Но задача установки — не вызвать пробой, а выявить такие дефекты в щадящем режиме, то есть без частичных разрядов, инициированных самим источником напряжения.

Оборудование в деле: выбор и границы применения

Вернемся к продукции, которую, например, поставляет ООО Ухань Мусен Электрик. Их резонансные испытательные системы заявлены для энергетики, транспорта, гидротехники. Это широкий спектр. Ключевое — понимать, для какого именно объекта подходит конкретная комплектация. Испытания вращающейся машины на заводе и силового кабеля в полевых условиях — это две большие разницы.

Для полевых испытаний кабелей, особенно длинных, критична мобильность и возможность быстрой сборки контура. Здесь хорошо себя показывают установки с несколькими катушками индуктивности, которые можно коммутировать последовательно/параллельно. Важный момент, который часто упускают из виду в технических заданиях, — это диапазон регулировки частоты. Для сухих и новых кабелей резонансная частота может быть в районе 30-70 Гц. Но если кабель старый, с увлажненной бумажно-масляной изоляцией, его емкость будет выше, а резонансная частота — ниже, может доходить до 15-20 Гц. Установка должна стабильно работать и на таких низких частотах, без искажения синусоиды.

Из практики: использовали мы как-то одну систему для испытания вводов на трансформаторной подстанции. Объект компактный, емкость небольшая, резонанс ушел выше 100 Гц. И тут выяснилось, что на таких частотах собственная индуктивность подводящих гибких кабелей начала вносить ощутимую погрешность в измерение напряжения. Пришлось калибровать измерительный делитель непосредственно на рабочей частоте. Это к вопросу о том, что в паспорте пишут ?диапазон 20-300 Гц?, но не всегда указывают, в какой его части гарантирована заявленная точность и чистота сигнала.

Когда что-то идет не так: анализ неудач

Идеальных испытаний не бывает. Ценность метода частотно регулируемого последовательного резонанса как раз в его диагностической чувствительности, когда он настроен правильно. Расскажу про неудачу, которая многому научила. Испытывали ячейку КРУЭ 220 кВ. Установка вышла на резонанс, напряжение поднимали плавно. На уровне 0.5 Uном детектор ЧР начал зашкаливать. Сначала грешили на помехи. Проверили все заземления, экраны — без изменений.

Пришлось остановиться. Стали искать причину локально. Оказалось, что проблема была не в основном изоляторе, а в поддерживающем конструктивном элементе — штативе из эпоксидного компаунда. В нем была внутренняя расслойка, невидимая глазу. На резонансной частоте, при относительно низком для основной изоляции напряжении, в этом штативе возникала интенсивная ионизация. Классический пример, как метод выявляет скрытый дефект, не связанный напрямую с объектом испытаний по паспорту. Но для нас это была ?неудача? по плану работ, зато для заказчика — предотвращение возможного отказа.

Такие ситуации показывают, что фраза ?испытания без ЧР? — это не про то, что разрядов не будет вообще. Это про то, что установка не должна их генерировать сама. А если объект их вызывает, то система должна это четко зафиксировать на ранней стадии, что и является целью диагностики. Это тонкая, но принципиальная разница в понимании процесса.

Взгляд вперед: что еще важно учитывать

Сейчас много говорят о цифровизации и встроенных системах анализа. Для частотно-регулируемых резонансных испытательных установок это, безусловно, тренд. Но я бы не стал слепо доверять полностью автоматическому режиму. Опытный оператор по звуку дросселя (вернее, по его отсутствию), по поведению стрелок аналоговых приборов (да, они до сих пор полезны для интегральной оценки) может получить информацию, которую пропустит даже хорошая цифровая система. Автоматика — это для рутинных, отработанных операций на типовых объектах.

Еще один момент — подготовка объекта. Перед тем как заводить резонансный контур, объект нужно качественно разрядить. Остаточный заряд может исказить начальные измерения емкости и, как следствие, расчет резонансной частоты. Иногда для сложных, разветвленных систем (например, несколько параллельных кабельных линий) стоит провести предварительные низковольтные измерения импеданса на разных частотах, чтобы спрогнозировать поведение системы.

В итоге, возвращаясь к ключевой фразе. Частотно регулируемый последовательный резонанс без частичных разрядов — это не тип устройства, а состояние системы ?источник-объект-измерительный тракт?, достигаемое грамотной настройкой, пониманием физики процесса и учетом всех, даже кажущихся мелочами, факторов. Оборудование, такое как у упомянутой компании, предоставляет техническую возможность, но реализация этой возможности всегда лежит на плечах инженера на объекте. И именно этот практический опыт, набитый шишками, и отличает реальную диагностику от формального протокола испытаний.