Авторы: Киншт Н. В.
Источник: ИАПУДВО РАН

Спектральные методы диагностики исстари применяются для оценки целостности и качества изготовления различных изделий и механических конструкций. Достаточно вспомнить легкое постукивание гончарных изделий как элементарный способ их проверки на отсутствие трещин, или же представить железнодорожника с длинным молотком, проверяющего реборды вагонных колес. "Чистота" и тон звука надежно свидетельствовали об отсутствии или наличии дефектов, а также, в ряде случаев, - о качестве изготовления товара. Другим традиционным спектральным способом оценки качества функционирования механического устройства является анализ шумов, издаваемых им при естественном функционировании. В этой связи спектральные методы можно условно разделить на пассивные и активные по методу воздействия на диагностируемый объект.

Известен пассивный спектральный метод диагностики трансформаторов как механической системы - регистрация и интерпретация собственных акустических шумов трансформатора. Особенностью его является возбуждение колебаний в его конструкциях (и, специально отметим, в дефектах) с частотой сети и, следовательно, ее гармониками. Все колебания, не совпадающие с частотами гармоник, автоматически подавляются, или, во всяком случае, не поддерживаются. Плюсы этой идеи состоят в том, что, во-первых, в дефекты накачивается энергия в течение всего времени наблюдения; во-вторых, исследуется техническое состояние трансформатора под нагрузкой. Однако каждый (механический) дефект имеет свои резонансные частоты, и маловероятно, что они совпадают с гармониками промышленной частоты, даже если учитывать естественный технологический дрейф промышленной частоты, составляющий доли процента. Спектр резонансных частот дефектов может простираться до сотен кГц, однако, реально этим методом можно пытаться регистрировать дефекты с собственными частотами менее 1 кГц.

Активные спектральные методы заключаются в импульсном возбуждении свободных колебаний в конструкции трансформатора и выявлении дефектов через их резонансные свойства.Здесь имеется в виду, в первую очередь, диагностика обмотки трансформатора и его магнитопровода. Этот импульс может подаваться в виде электрического импульса (метод НВИ) или механического удара. Во втором случае в качестве отклика могут использоваться как акустические методы, так и регистрироваться наводимые за счет остаточной намагниченности магнитопровода в обмотках импульсные э.д.с.. Метод анализа таких колебаний хорош тем, что каждый механический дефект, получая импульс энергии, возбуждает колебания на своей собственной частоте, что позволяет эффективно классифицировать дефекты.

Метод низковольтных импульсов (НВИ) заключается в том, что на одну из обмоток расшинованного трансформатора подается короткий прямоугольный зондирующий импульс низкого напряжения величиной около 100-600 В, длительностью около 1 мкс и одновременно наблюдается ток на измерительных шунтах, подключенных к другим обмоткам. Таким образом, исследуется переходный процесс, возникающий в обмотках как реакция на воздействие прямоугольного импульса. Предварительно производится паспортизация реакции исправного (или нового) трансформатора на НВИ. Такие измерения проводятся регулярно во время эксплуатации трансформатора и, во всяком случае, после случая КЗ. Сравнение по определенной методике осциллограмм, записанных до КЗ (нормограмм) и после КЗ (дефектограмм) позволяет оценить состояние трансформатора. Изменения в осциллограммах свидетельствуют о появлении электрических или механических повреждений. Обработка этих осциллограмм с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) дает возможность оценивать изменение спектральных характеристик сигнала и откликов. Недостатки импульсных методов очевидны.

Это, во-первых, кратковременность воздействия, т.е. Сравнительно малая энергия, направленная на возбуждение процессов в дефектах, а учитывая широкий спектр воздействия, то и малая удельная энергия (на единицу частотного диапазона).

Далее, необходимость при обработке откликов обрабатывать отклик как функцию времени, т.е. Осциллограммы переходных процессов. Здесь приходится рассматривать такие отклики, как правило, как некий обобщенный образ.

Кроме того, подаваемый импульс существенным образом демпфируется (срезаются высокие частоты). На механическую конструкцию непосредственным образом воздействует не высококачественный, имеющий крутые фронты, электрический импульс подаваемого нви, а некий, неконтролируемый более "мягкий" импульс тока в обмотке, что существенно затрудняет формально- математическую обработку результатов.

В последнее время внимание специалистов привлекает способ диагностики обмоток и магнитопроводов трансформаторов, основанный на анализе частотных характеристик обмоток (SFRA - sweep frequency response analysis) при специальных схемах включения. С энергетической точки зрения этот метод обладает несомненными достоинствами. Экспериментатор, имея генератор сигналов, частота которых произвольно может изменяться в широком диапазоне, имеет возможность не только получать общий вид характеристики, но и избирательно производить «накачку» энергии в предполагаемые дефекты, используя наиболее информативные частоты (диапазоны частот) и диагностические признаки, получая, в конечном итоге, наиболее точную и конкретную диагностическую информацию.

Собственно идея этого метода базируется на интуитивно верном научном фундаменте, поскольку аварийные деформации обмоток трансформаторов изменяют их электрические параметры - индуктивности и емкости. Однако в целом подробный анализ частотных характеристик трансформатора представляет собой сложную вычислительную задачу даже для исправного трансформатора. Деформации отдельных витков обмотки вносят в схемную модель обмотки дополнительные сложности. Поэтому практическое применение метода SFRA, как правило, связано с накоплением значительной статистики дефектов трансформатора и интерпретацией этого массива данных на основе какого-либо алгоритма распознавания образов.