МЕТОДЫ ФЛУКТУАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Исследования, проведенные с нетрадиционными энергоустановками прямого преобразования энергии пяти различных типов — ФЭП, ЭХП, ТЭГ, ТЭП, МГДГ — показали эффективность применения методов флуктуационной диагностики для анализа состояния энергообъектов, выявления и предотвращения развития нештатных (предаварийных) состояний в процессе их эксплуатации [142—145].

Методы флуктуационной диагностики основаны на исследовании спектров флуктуаций электрических параметров ЭУ — напряжений, потенциалов или токов, с использованием соответствующей аппаратуры — осциллографа, анализатора спектра, коррелятора и др. Регистрация и анализ электрических флуктуаций в разных режимах работы ЭУ дают возможность по изменению характеристик спектра (частоты, амплитуды и др.) судить о протекающих электрофизических процессах.

При проведении экспериментальных исследований термином «флуктуации электрических параметров» (тока, напряжения, потенциала) обозначалась переменная составляющая этих параметров, которая содержала несущую (обычно низкочастотную) компоненту и высокочастотные (шумовые) компоненты. При этом наблюдаемый в экспериментах полезный сигнал на 2—3 порядка превосходил уровень возможных помех и наводок в измерительных цепях.

В экспериментах с ЭУ ППЭ было установлено, что электрические флуктуации в штатном и нештатном (предаварийиом) режиме работы каждого из типов ЭУ имеют различные параметры амплитудно-частотного спектра. Опыты с МГД-генераторами, фотоэлектрическими преобразователями, термоэлектрическими генераторами, термоэмиссионными преобразователями, электрохимическими преобразователями показали, что процессы электрической природы, ведущие сначала к снижению выходных характеристик ЭУ, а затем и к разрушению конструкции — такие, как снижение уровня изоляции между элементами в энергоустановках, появление токов утечек, образование искрений, пробой электроизоляции и возникновение дуг — находят свое отражение в спектрах флуктуаций измеряемых параметров ЭУ (токов, напряжений, потенциалов).

Выполненные с использованием разработанного методического подхода анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на энергоустановках прямого преобразования энергии пяти различных типов, позволили выявить наряду со специфическими причинами ухудшения энергетических характеристик для каждого из типов ЭУ также и общие закономерности в развитии предаварийных состояний в процессе эксплуатации ЭУ. Они связаны с явлениями электрической природы — снижением уровня электрической прочности элементов ЭУ в результате различных дефектов используемых электроизоляционных материалов, утечками тока, локальными электрическими пробоями по конструкции, приводящими к снижению выходных электрических характеристик генератора и разрушению его конструкции.

В процессе проведения исследований с плазменными энергоустановками (МГД-генераторами и термоэмиссионными преобразователями) было установлено, что методы флуктуациониой диагностики позволяют надежно контролировать электрофизические явления в приэлектродных пограничных слоях и на электродах в отсутствие «оптических» отверстий в стенках ЭУ и возможности визуальных наблюдений за электродами [142].

В соответствии с принятой терминологией различают следующие виды разряда на электродах в плазменных ЭУ (см. рис. 19.4 и 19.5):

диффузный или диффузионный (разряд, распределенный равномерно по всей поверхности электрода; характерен, как правило, для небольших плотностей тока);

микродуговой [на поверхности электрода одновременно находится несколько микродуг (дуг) с суммарным током в единицы — десятки ампер];

сильноточный дуговой (на поверхности электрода горит одна силовая дуга с током от нескольких десятков до 100 А).

Разряд на электроде может быть неподвижным или перемещающимся. Диффузный разряд является неподвижным, в то время как микродуги хаотически перемещаются по поверхности электрода. Сильноточные дуги обычно неподвижны и располагаются па кромках электродов.

Как правило, штатному (номинальному) режиму работы плазменной ЭУ соответствует определенный вид разряда на электродах, обеспечивающий ее длительную, безаварийную эксплуатацию. Так, в случае МГДГ штатному режиму работы ЭУ соответствует диффузный или микродуговой режим разряда на электродах. Появление же на электроде сильноточной дуги (с током до 100 А и выше) свидетельствует о возникновении нештатного(предаварийного)состояния в работе ЭУ. Электрическая эрозия в месте фиксации сильноточной дуги на кромке электрода может вызвать частичное разрушение конструкции электродной стенки и привести к аварийной ситуации.

Таким образом, контроль режима разряда на электродах в процессе работы плазменных ЭУ необходим для обеспечения их длительной безаварийной эксплуатации в течение требуемого ресурса.

Выполненные исследования показывают, что в отсутствие визуальных наблюдений за электродами методы флуктуационной диагностики: регистрация и анализ флуктуаций электрических параметров ЭУ (потенциалов, напряжений или токов) — являются падежным средством определения вида разряда на электродах и предотвращения возникновения нештатных (предаварийных) состояний в работе ЭУ.

Так, в опытах с крупномасштабными МГДГ было обнаружено, что при диффузном режиме разряда на электродах в спектре флуктуаций приэлектродного падения напряжения наблюдались флуктуации с частотой 300 Гц, обусловленные электрической нагрузкой — инвертором. При изменении режима разряда (появлении микродуг па электродах) в спектре флуктуаций приэлектродного падения напряжения появлялись составляющие с частотой 1—10 кГц. Развитие на электродах сильноточной дуги сопровождалось увеличением частоты флуктуаций до десятков килогерц (рис. 21.1). При возникновении между соседними (смежными) электродами холловского межэлектродного пробоя в спектре флуктуаций межэлектродного напряжения появляется высокочастотный шум с частотой ~ 100 кГц (рис. 21.2).

При работе термоэмиссионного преобразователя (таситрона) в штатном режиме фиксировались регулярные флуктуации анодного напряжения небольшой амплитуды, соответствующие бегающему по поверхности электрода разряду. Однако при переходе к нештатным режимам работы ТЭП они сменялись на одновременные сильные нерегулярные флуктуации анодного напряжения и тока, соответствующие неустойчивому горению разряда с самопроизвольными срывами и повторными зажиганиями, либо на полное отсутствие флуктуаций анодного напряжения, соответствующее стационарному разряду, занимающему всю площадь электрода (рис. 21.3).

Осциллограммы флуктуаций прикатодного падения потенциала на электродах МГДГ, работающих в диффузном, микродуговом (а) и сильноточном дуговом (б) режимах

Рис. 21.1. Осциллограммы флуктуаций прикатодного падения потенциала на электродах МГДГ, работающих в диффузном, микродуговом (а) и сильноточном дуговом (б) режимах.

Развертка — 1 мс/дел; чувствительность — 2 В/дел

Осциллограммы флуктуаций напряжения между соседними электродами МГДГ при отсутствии (я) и наличии (о) холловской межэлектродной дуги

Рис. 21.2. Осциллограммы флуктуаций напряжения между соседними электродами МГДГ при отсутствии (я) и наличии (о) холловской межэлектродной дуги:

Режим: В = 1,7 Тл; 1/|.2 = 100 В; о — /, = 50 А, /2 = 30 А; б — /, = 66 А. /•> = 35 А. Развертка — 1 мс/дел; чувствительность — 4 В/дел

Характерные флуктуации выходных электрических параметров (напряжения и тока) при работе термоэмиссионного преобразователя — таеи- трона

Рис. 21.3. Характерные флуктуации выходных электрических параметров (напряжения и тока) при работе термоэмиссионного преобразователя — таеи- трона:

а — штатный режим; б — нештатный режим

Исследования, проводимые с полупроводниковыми энергоустановками (фотоэлектрическими и термоэлектрическими генераторами), также показали эффективность применения методов флуктуа- циониой диагностики для выявления нештатных состояний в их работе. Так, эксперименты с фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями — СБ) обнаружили, что фрагменты СБ, имеющие скрытые дефекты, не выявляемые визуально (например, в полупроводниковых структурах солнечных элементов — СЭ), характеризуются значительно более высоким (в несколько раз) уровнем флуктуаций напряжения в миллисекундном диапазоне, по сравнению с бездефектными СБ (рис. 21.4) [143].

При моделировании условий эксплуатации термоэлектрических генераторов корабельного назначения, а также наземных автономных ТЭГ' (в условиях повышенной влажности, сырости), по мере снижения уровня изоляции между токоотводами и корпусом ТЭГ в спектре вначале возникали низкочастотные колебания напряжения (тока утечки) большой амплитуды, а затем, при образовании микродуг, процесс сопровождался высокочастотным шумом. Характерным являлся так называемый режим «искрения», предшествующий возникновению дуги, при котором в спектре флуктуаций периодически появлялись составляющие с частотой 10 кГц (рис. 21.5 и 21.6) [144].

И наконец, возникновение нештатных состояний в работе электрохимического преобразования (электролизера) с твердым полимерным электролитом, связанных с точечным проколом ионообменной мембраны частицей электрокатализатора, сопровождалось появлением в спектре напряжения интенсивных флуктуаций с частотой порядка 1 кГц и выше (при полном отсутствии таких флуктуаций в штатном режиме работы ЭХГ1) (рис. 21.7) [145]. При наблюдении в

Осциллограммы напряжения шумов дефектного (я) и малодефектного (б) фрагментов СБ

Рис. 21.4. Осциллограммы напряжения шумов дефектного (я) и малодефектного (б) фрагментов СБ.

Развертка — 1 мс/дел; чувствительность — 200 мВ/дел; усиление сигнала — 5000 в полосе 0—100 кГц. Ток смещения (в прямом направлении) — 200 мкА

Изменение картины флуктуаций токов утечки термоэлектрического модуля (ТЭМ) в процессе подачи влаги на электроизоляцию токоотвода (отсчет лучей осциллографа — сверху вниз)

Рис. 21.5. Изменение картины флуктуаций токов утечки термоэлектрического модуля (ТЭМ) в процессе подачи влаги на электроизоляцию токоотвода (отсчет лучей осциллографа — сверху вниз):

отсутствие токов утечки и влаги (лучи /, 2) появление влаги (луч 5); кипение капель воды (луч 4). Развертка — 0,02 мс/дел; чувствительность — 100 мВ/дел

Осциллограмма флуктуаций токов утечки ТЭМ. Нештатный режим работы — возникновение периодических «искрений» электроизоляционного промежутка ТЭМ

Рис. 21.6. Осциллограмма флуктуаций токов утечки ТЭМ. Нештатный режим работы — возникновение периодических «искрений» электроизоляционного промежутка ТЭМ.

Развертка— 1 мс/дел; чувствительность— 100 мВ/дел

Осциллограмма напряжения на электролизной ячейке с твердым полимерным электролитом

Рис. 21.7. Осциллограмма напряжения на электролизной ячейке с твердым полимерным электролитом.

2

Режим, предшествующий точечному проколу мембраны, и = 2 В; J = А/см . Чувствительность — 0,5 В/дел; развертка — I мс/дел

спектре флуктуаций типа представленных на рис. 21.7, даже если при этом не меняются выходные параметры ЭХГ1 (напряжение, ток), его эксплуатация должна быть немедленно прекращена во избежание смешения реагентов, образования и накопления взрывоопасной «гремучей смеси».

С целью идентификации наблюдаемых в ЭУ ППЭ флуктуаций и выявления корреляции между шумовыми характеристиками ЭУ и протекающими электроразрядными процессами, проводилась обработка характерных осциллограмм электрических флуктуаций, полученных в опытах с различными типами ЭУ ППЭ в разных режимах работы. Использование методов спектрально-корреляционного анализа позволяло определять основные параметры спектра: частоты и эффективные напряжения несущей гармоники и шумовых компонент, корреляционные функции, спектральную плотность мощности, дисперсию, математическое ожидание и др. [146, 147].

В связи с тем что спектр наблюдаемых флуктуаций ЭУ являлся сложным и нерегулярным, в качестве основных характеристик при первичной обработке результатов экспериментов использовались такие величины, как эффективное напряжение флуктуаций (оцениваемое как среднеквадратичное значение случайных амплитуд в

выборке): , и приведенная (средневзвешенная по амплитуде) частота флуктуаций, оцениваемая в соответствии с выражением: . Амплитуда эффективного

напряжения при этом равнялась:

Проводимый анализ показал, что точность оценки амплитудно- частотных характеристик флуктуаций по спектру мощности и корреляционной функции сильно зависит от частоты дискретизации /д и выбранной длины реализации (количества измерений) п: где Г — период измерения;

— время между двумя измерениями.

Согласно теореме Найквиста—Котельникова:

где /в — верхняя (максимальная) частота исследуемого спектра.

Для того чтобы аналоговый сигнал, занимающий полосу частот от 0 до/в (Гц), можно было восстановить по его отдельным отсчетам, частота дискретизации / должна быть как минимум вдвое больше/в.

При /в = 100 кГц частота /д должна составлять не менее 200 кГц и А/ < 5 мкс.

Таким образом, увеличение частоты дискретизации позволяет расширить верхний предел исследуемого диапазона частот/в, а увеличение числа отсчетов в выборке — повысить точность в определении частоты несущей гармоники и шумовых компонент.

Кроме того, увеличение периода измерений Т также существенно повышает точность количественных оценок характеристик спектра.

На рис. 21.8 приведены зависимости погрешности определения характерных частот флуктуаций по спектру мощности от длины реализации: 5 = (Д/Л * 100 %, где А = 0,5Д/; Д/ — шаг по частоте между двумя точками спектра.

Погрешность определения частоты флуктуаций по спектру мощности в зависимости от длины реализации

Рис. 21.8. Погрешность определения частоты флуктуаций по спектру мощности в зависимости от длины реализации

Расчет погрешности выполнен для трех значений определяемых частот: /= 1, 10 и 100 кГц, при= 250 кГц,/в = 125 кГц, А Г - - 0,004 мс:

п

Т, мс

^ Гц

А, Гц

5, %

1кГц

10 кГц

100 кГц

4096

16,38

61,04

30,52

3,05

0,31

0,031

8192

32,77

30,52

15,26

1,53

0,15

0,015

16384

65,54

15,26

7,63

0,76

0,08

0,008

32768

131,07

7,63

3,81

0,38

0,04

0,004

65536

262,14

3,81

1,91

0,19

0,02

0,002

Видно, что при « = 4096 максимальная погрешность в определении по спектру мощности частот порядка 1 кГц составляет ~ 3 %, а частот ~ 10 и 100 кГц — менее 0,5 %.

Рассмотрение зависимости среднеквадратичного значения погрешности определения автокорреляционной функции (АКФ) от длины реализации позволило сделать вывод о незначительном увеличении точности расчета АКФ при увеличении длины реализации более, чем « = 2048.

Таким образом, проведенный анализ показал возможности и перспективность использования статистических и спектрально-корреляционных методов для обработки флуктуационных (шумовых) характеристик измеряемых параметров ЭУ Г1Г1Э с привлечением быстродействующих ЭВМ, позволяющих достичь требуемой точности количественных оценок.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >