СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДОВ Российский патент 2000 года по МПК G01R31/08 G01R31/12 

Изобретение относится к технике диагностирования электрооборудования высокого напряжения и предназначено для контроля изоляции высоковольтных вводов.

Известно устройство для автоматического контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением путем измерения величины и фазы тока через ее емкость (А.С. СССР N 296062, G 01 R 31/02, БИ N 8, 1971 г.), которое содержит блок входного сумматора из двух сумматоров, производящих суммирование токов двух контролируемых объектов, измерительный и сигнальный блоки, которые включены на разность выходных токов сумматоров. Для контроля двух неоднотипных трехфазных объектов сумматоры снабжены настраиваемыми при наладке регуляторами.

Известно также устройство для автоматического контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования (А.С. СССР N 384080, G 01 R 31/12, БИ N 24, 1973 г.), которое дополнительно к устройству по А.С. N 296062 содержит три сопротивления, каждое из которых включено между сумматором и соответствующей фазой контролируемой сети через трансформатор напряжения.

Прототипом выбрано устройство для непрерывного контроля вводов под рабочим напряжением ("Совершенствование устройства контроля трансформаторного оборудования с учетом опыта эксплуатации", Сви П.М., Смекалов В.В., Материалы международного семинара "Повышение надежности и эффективности контроля трансформаторов в эксплуатации", 31 мая 1996 г., Запорожье, Украина). Прибор содержит устройство присоединения, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, приборные трансформаторы тока и напряжения, регуляторы тока, сумматоры, инвертор, измеритель и сигнализатор. В этом устройстве реализуются два метода измерений - мостовой и неравновесно-компенсационный.

Недостатком прототипа является относительно невысокая надежность устройства, обусловленная аналоговым принципом его построения, а также высокая трудоемкость наладки его баланса при установке на объекте.

Кроме того, при ручной балансировке устройства для компенсации начальных значений несимметрии токов велика вероятность субъективной ошибки.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в оценке комплексной проводимости, как характеристики изоляции ввода, не зависящей от изменения приложенного напряжения, по каждой контролируемой фазе. Задача решена тем, что в систему контроля изоляции высоковольтных вводов, содержащей устройства присоединения к высоковольтным вводам трех фаз, выходы которых подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов тока, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов напряжения, сигнализатор, введены два фазовращателя, подключенные к выходам двух из трех приборных трансформаторов тока, шесть фильтров нижних частот, мультиплексор, АЦП и микропроцессор. При этом входы двух фильтров нижних частот подключены к выходам соответствующих фазовращателей, а входы остальных фильтров нижних частот подключены к выходам соответствующих приборных трансформаторов тока и напряжения, выходы всех фильтров нижних частот подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого через АЦП подключен ко входу микропроцессора, выход которого соединен с сигнализатором. При этом угол сдвига фазы тока одного из фазовращателей равен - 120^o, а угол сдвига фазы тока другого фазовращателя равен - 240^o.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы контроля изоляции высоковольтных вводов, на фиг. 2 и фиг. 3 - векторные диаграммы.

Система на фиг. 1 содержит объект контроля 1 и устройства присоединения 2, входы которых соединены с соответствующими выходами объекта контроля 1.

Выходы устройства присоединения 2 соединены со входами соответствующих приборных трансформаторов тока 3. Система по фиг. 1 содержит также трансформатор напряжения 4 трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов напряжения 5. Кроме того, система содержит два фазовращателя 6 и 7 соответственно со сдвигами фаз тока на 120^o и 240^o, входы которых подключены к выходам двух из трех приборных трансформаторов тока 3 и шесть фильтров нижних частот 8. При этом входы двух фильтров нижних частот 8 подключены к выходам соответствующих фазовращателей 6 и 7, а входы остальных фильтров нижних частот 8 подключены к выходам соответствующих приборных трансформаторов тока 3 и напряжения 5. Выходы всех фильтров нижних частот 8 подключены к соответствующим входам мультиплексора 9, выход которого через АЦП 10 подключен ко входу микропроцессора 11, выход которого соединен с сигнализатором 12.

В основе работы данной системы контроля изоляции высоковольтных вводов используется сочетание двух методов: неравновесно-компенсационного и мостового (см. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.). Такой подход позволяет использовать достоинства обоих методов и осуществить взаимную компенсацию их недостатков.

Первоначально рассмотрим существо предлагаемого решения.

Суть неравновесно-компенсационного метода можно записать следующим выражением:

где - симметрирующие коэффициенты, определяемые при начальной настройке устройства ("Совершенствование устройства контроля трансформаторного оборудования с учетом опыта эксплуатации". Сви П.М., Смекалов В.В., Материалы международного семинара "Повышение надежности и эффективности контроля трансформаторов в эксплуатации", 31 мая 1996 г., Запорожье, Украина) из условия: .

Преимущество этого метода в том, что однотипные (температурные и т.п.) изменения во всех трех вводах не приводят к изменению . Недостатком такого подхода является то, что является функцией не симметрии напряжений. Токи через основную зону изоляции (C1) вводов являются вторичными параметрами. Первичной является комплексная проводимость как характеристика изоляции ввода, не зависящая от изменения приложенного напряжения.

Однако проводимости , сохраняя векторный характер, "теряют" относительные фазовые сдвиги на 120^o, в результате чего их в чистом виде нельзя рассматривать в той же идеологии, как токи - нарушается суть неравновесно-компенсационного метода. В то же время, вектор проводимости "отслеживает" ухудшение изоляции ввода увеличением модуля Y и изменением угла ϕ (угол потерь ).

Предлагается для сохранения компенсационного характера оценки проводимости вводов записать уравнение геометрической суммы векторов проводимостей в виде:

где - симметрирующие коэффициенты, определяемые в момент начала контроля при исправных вводах из условия: = 0;
- искусственно введенные угловые сдвиги.

Вектор не имеет физического смысла проводимости и является лишь оценочным параметром неидентичности вводов.

Определение коэффициентов :


Уравнение (2) приобретает вид:

где - векторы проводимостей в момент начала контроля (исходные).

- текущие значения.

Задача контроля сводится к периодической (с частотой контроля) проверке уравнения (3). Если текущие и исходные значения проводимостей равны , то уравнение (3) даст = 0. При однотипных (температурных) изменениях проводимостей также получим: = 0. Неравновесные изменения проводимостей дадут: = 0.

Преимущество данного метода в возможности идентификации дефектной фазы и оценке состояния изоляции ввода по ее первичному параметру - комплексной проводимости.

Ухудшение изоляции основной зоны (C1) ввода - увеличение потерь - вызывает увеличение активной составляющей тока. Это однозначно отразится на векторной диаграмме проводимостей (уравнение (3)) увеличением модуля и поворотом по часовой стрелке, относительно положения симметрии, соответствующего вектора.

Прорастание проводящего канала по внутренней поверхности нижней фарфоровой покрышки, если версия о емкостном характере увеличения тока верна, может дать поворот соответствующего вектора против часовой стрелки (эффект уменьшения потерь за счет увеличения реактивной составляющей тока), но также однозначно отразится увеличением модуля этого вектора. Таким образом, определив максимальное из трех процентное отклонение:

можно однозначно определить источник небаланса. В качестве дополнительной информации можно проанализировать поворот векторов относительно положения симметрии и положение результирующего вектора.

Сигналы токов через изоляцию по каждой контролируемой фазе объекта контроля 1, величины которых в свою очередь зависят от величины фазных напряжений и значений проводимостей изоляции объектов контроля, через устройство присоединения 2 поступают на входы приборных трансформаторов тока 3 (см. фиг. 2). При этом в идеальном случае, при отсутствии несимметрии фаз и изменений элементов схем эти сигналы имеют одинаковую амплитуду и относительный сдвиг фаз в 120^o.

С выходов приборных трансформаторов тока 3 сигнал фазы A поступает непосредственно на соответствующий вход A фильтра нижних частот 8, а сигналы фаз B и C поступают на входы B и C фильтров нижних частот 8 соответственно через фазовращатели 6 и 7. При этом фазовращатели 6 и 7 осуществляют сдвиг сигнала по фазе соответственно на -120^o и -240^o. Фильтры нижних частот 8 имеют идентичные частотные характеристики, их задачей является исключение их входных сигналов высокочастотных помех (вч - связь, корона и т.д.). Таким образом, на входы первых трех фильтров нижних частот 8 поступают сигналы (напряжения), пропорциональные соответствующим токам:



где - фазные токи объекта контроля 1; - комплексные коэффициенты трансформации приборных трансформаторов тока 3; R - идентичные нагрузки приборных трансформаторов тока 3; , - векторы поворота фазовращателей 6 и 7 соответственно.

Одновременно сигналы напряжения трех фаз (A, B, C) через трансформатор напряжения 4 и приборные трансформаторы напряжений 5 поступают на входы вторых трех фильтров нижних частот 8. Таким образом, на входы вторых трех фильтров нижних частот 8 поступают сигналы напряжения, пропорциональные соответствующим напряжениям , , (см. фиг. 2 и 3).

где - фазные напряжения, приложенные к объекту контроля 1,
- комплексные фазные коэффициенты передачи трансформатора напряжения 4,
- комплексные коэффициенты передачи приборных трансформаторов напряжения 5.

С выходов фильтров нижних частот 8 сигналы и через мультиплексор 9 поступают на вход АЦП 10, где преобразуются в цифровой код. С выхода АЦП 10 сигнал в виде цифрового кода поступает на микропроцессор 11.

Программная обработка данных сигналов проводится в соответствии с изложенным выше принципом. При этом конкретный алгоритм обработки в микропроцессоре 11 следующий:
1. Программное выделение амплитуд первых гармоник и определение угловых сдвигов относительно базового вектора :
2. Запись в показательной форме системы 6-ти синусоидальных сигналов (первых гармоник):

3. Определение отношений:



где

систематические ошибки по модулю и углу, внесенные трактами.

4. Запись уравнения геометрической суммы векторов:
в соответствии с уравнением (2).

5. Определение симметрирующих коэффициентов из условия = 0. При этом систематические ошибки j_A,j_B,j_C компенсируются.

6. Проверка равенства нулю вектора . Отклонение от нуля свидетельствует о нарушении изоляции вводов.

7. Дальнейшая обработка полученной информации (анализ положения результирующего вектора и векторов проводимости по каждой контролируемой фазе) позволяет идентифицировать дефектный ввод и оценить характер изменений в его изоляции.

Система может быть реализована следующим образом.

Устройство присоединения к высоковольтным вводам трех фаз, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин и приборные трансформаторы тока и напряжения являются стандартными устройствами и широко используются (см. Сви П. М. "Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения", М. , Энергоатомиздат, 1992 г. - 70 - 71 стр., рис. 3.1, 210 - 218 стр.).

Цифровые устройства системы, а именно мультиплексор, АЦП, микропроцессор и сигнализатор могут быть реализованы на соответствующих устройствах фирмы "Octagon Systems", например, MUX-16 Analog Multiplexer; 5710-1, 12 bit/Analog 1/OCard, high speed; 5025 - 486 - 2 MB, 25 МГц PC Control Card, 2MB; 561 Relay Card. Фазовращатели и фильтры нижних частот реализованы по схемам, приведенным в книге Гутников В.С. "Применение операционных усилителей в измерительной технике" стр. Л. Энергия, 1975 г.

Изобретение относится к технике диагностирования электрооборудования высокого напряжения и предназначено для контроля изоляции высоковольтных вводов. Изобретение позволяет повысить надежность устройства и уменьшить трудоемкость наладки при установке на объекте. В основе работы данной системы контроля изоляции высоковольтных вводов используется сочетание двух методов: неравновесно-компенсационного и мостового. В отличие от известного неравновесно-компенсационного метода суммируются с определенными симметрирующими коэффициентами не фазные токи, а комплексные проводимости, которые являются первичными характеристиками изоляции вводов. При этом для сохранения относительного фазового сдвига в 120° для фаз B и С вводятся аппаратурно дополнительные фазовые сдвиги соответственно в - 120° и - 240°, симметрирующие коэффициенты определяются в момент начала контроля при исправных вводах на условия равенства нулю комплексной суммарной проводимости. В этом случае задача контроля сводится к периодической проверке равенства нулю комплексной суммарной проводимости. Ухудшение изоляции основной зоны ввода - увеличение потерь - повызывает увеличение активной составляющей тока. Это однозначно отражается на векторной диаграмме проводимостей увеличением модуля и поворотом по часовой стрелке относительно положения симметрии соответствующего вектора. Для определения фазных комплексных проводимостей с выходов приборных трансформаторов тока 3 сигнал фазы А поступает непосредственно на соответствующий вход А фильтра нижних частот 8, а сигналы фаз В и С поступают на входы В и С фильтров нижних частот 8 соответственно через фазовращатели 6 и 7. Одновременно сигналы трех фаз (А, В, С) пропорциональны напряжениям через трансформатор напряжений 4 и приборные трансформаторы напряжений 5 поступают на входы вторых трех фильтров нижних частот 8. С выходов фильтров нижних частот 8 сигналы и через мультиплексор 9 поступают на вход АЦП 10, где преобразуются в цифровой код. С выхода АЦП 10 сигнал в виде цифрового кода поступает на микропроцессор 11. Таким образом, сигналы, пропорциональные токам и напряжениям в виде цифровых кодов поступают в микропроцессор 11, где обрабатывают по программе в соответствии с изложенным выше принципом, что позволяет оценить дефектную фазу. 3 ил.

Система контроля изоляции высоковольтных вводов, содержащая устройства присоединения к высоковольтным вводам трех фаз, выходы которых подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов тока, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов напряжения, сигнализатор, отличающаяся тем, что в систему введены два фазовращателя, подключенные к выходам двух из трех приборных трансформаторов тока, при этом угол сдвига фазы тока одного из фазовращателей равен - 120^o, а угол сдвига фазы сигнала тока другого фазовращателя равен - 240^o, шесть фильтров нижних частот, мультиплексор, АЦП и микропроцессор, при этом входы двух фильтров нижних частот подключены к выходам соответствующих фазовращателей, а входы остальных фильтров нижних частот подключены к выходам соответствующих приборных трансформаторов тока и напряжения, выходы всех фильтров нижних частот подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого через АЦП подключен ко входу микропроцессора, выход которого соединен с сигнализатором.