ДАТЧИК ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2011 года по МПК G01R31/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области мониторинга высоковольтной изоляции и, более конкретно, к датчику для мониторинга состояния высоковольтной изоляции системы генерации, передачи или распределения электроэнергии и/или энергетического оборудования.

Уровень техники

Частичные разряды - это слабые искровые разряды, которые обеспечивают важную меру состояния изоляции высоковольтной системы генерации, передачи и распределения электроэнергии или энергетического оборудования. Частичные разряды возникают, когда качество изоляции начинает ухудшаться, причем когда они начинают преобладать, то становятся основной причиной выхода изоляции из строя. Частичные разряды могут также иметь место в высоковольтных системах вследствие наличия подвижных ("плавающих") частиц и пустот в изоляции, плохо фиксируемых коннекторов, заусениц и заострений. Необходимость слежения за частичными разрядами является критичным фактором для оценки дефектов или состояния изоляции, а также для попыток спрогнозировать срок службы конкретной единицы оборудования. Способность осуществлять надежный мониторинг частичных разрядов облегчает управление плановыми остановками оборудования, необходимыми для осуществления эффективного процесса замены или текущего обслуживания различных частей и компонентов при одновременном обеспечении высокой эффективности снабжения пользователей электричеством.

Вторым диагностическим параметром, ассоциируемым с распределением энергии и/или с производственным оборудованием, является информация о цикле подаваемой мощности (соответствующем циклу переменного напряжения). Такая информация важна по двум причинам. Во-первых, она помогает понимать и интерпретировать механизмы и конкретные дефекты, связанные с определенными совокупностями признаков (паттернами) частичных разрядов. Известно, что на основе интенсивности индивидуальных частичных разрядов, частоты их возникновения, а также данных об их точном положении относительно фазы индивидуальных циклов мощности, можно определить группы характеристик (паттерны) конкретных дефектов. Подобные совокупности признаков известны специалистам как группы характеристик Ф-q-n, относящиеся к фазовому углу местонахождения в периоде цикла мощности (напряжения), кажущемуся заряду, ассоциированному с импульсом частичного разряда, и частоте повторения импульсов с данным фазовым углом. В частности, оказалось возможным различать, по результатам интерпретации данных характеристик, коронные разряды, поверхностные разряды, разряды в полостях и разряды с плавающим пятном заряда (floating point discharges).

Вторая причина, почему информация о периоде цикла мощности является важной, обусловлена тем, что знание формы волны цикла мощности позволяет оценить качество подаваемой мощности. Измерения качества мощности для распределительных систем определены в международном стандарте EN/IEC 50160 "Характеристики напряжения электроэнергии, подаваемой от общих распределительных систем" ("Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems"). В данном стандарте сформулированы конкретные правила, относящиеся к оценке качества мощности и, в частности, к мониторингу частоты, колебаний подаваемого напряжения и быстрых изменений этого напряжения, падений напряжения, перенапряжений, гармонического состава и состава промежуточных гармоник (interharmonic content). Стандарт IEEE 1159 "Рекомендуемый порядок мониторинга качества электрической мощности" ("Recommended Practice on Monitoring Electrical Power Quality") задает семь основных категорий дефектов, учитываемых при мониторинге качества мощности: мгновенные вариации напряжения, кратковременные вариации, продолжительные вариации, несбалансированность напряжения, искажения формы волны, флуктуации напряжения и изменения частоты.

Когда в пределах цикла мощности имеют место гармонические искажения или изменения напряжения, они, как правило, связаны с насыщением системы или с наличием перенапряжения и указывают на перегрузку или на наличие серьезного дефекта в цепи генерации энергии. Если данная проблема не будет решена, она может привести к серьезным последствиям для другого оборудования генерирующего предприятия или оказать неблагоприятное воздействие на оборудование, используемое коммерческими или индивидуальными потребителями. Важным является и то обстоятельство, что присутствие в цикле мощности гармоник или повышенного напряжения будет влиять на характер генерируемых частичных разрядов. Таким образом, способность одновременно отслеживать информацию о цикле мощности и возникновение частичных разрядов является критичной для интерпретации и оценки качества мощности и природы активности частичных разрядов.

Стандарт EN/IEC 60270, касающийся частичных разрядов

Стандартный способ измерения частичных разрядов в промышленных условиях приведен в международном стандарте EN/IEC 60270 "Методы высоковольтных испытаний - измерения частичных разрядов" (2000). Данный стандарт определяет конструкцию и калибровку электрических приборов, используемых для измерений частичных разрядов.

На фиг.1 представлен базовый контур 1 прибора, пригодного для измерений частичных разрядов в соответствии со стандартом EN/IEC 60270. Через Са обозначена емкость образца 2, подвергаемого испытанию, через Ck - емкость конденсатора 3 связи, через Zm - импеданс нагрузки (измерительного элемента) 4, наличие которого позволяет получить профиль токовых импульсов частичных разрядов (сигналов Vpd), приемлемый для проведения измерений. Возможные варианты измерительного элемента 4 могут варьироваться от простого резистора R до фильтров, содержащих RC- и RLC-комбинации. Специалистам известны многочисленные варианты детекторных контуров, соответствующих требованиям стандарта EN/IEC 60270 и основанных на схемах узкополосных и широкополосных фильтров различных порядков. Контуры на основе узкополосных фильтров реагируют на короткие импульсы частичных разрядов формированием откликов в виде медленно изменяющейся затухающей волны, тогда как широкополосные системы обеспечивают получение откликов с более быстро изменяющейся волной.

Как правило, датчики по стандарту EN/IEC 60270 калибруются приложением к калибровочному конденсатору известного быстро нарастающего ступенчатого входного напряжения, что приводит к инжекции через данный конденсатор в измерительный контур известного заряда Qcal. В результате на выходе детектора формируется затухающее или осциллирующее напряжение, пиковое значение Vcal которого представляет меру инжектированного заряда. Затем датчик калибруют по чувствительности, определяемой из отношения Qcal/Vcal и обычно выражаемой в пКл/мВ. Формируемые описанным образом сигналы обычно усиливают и подают через гальваническое соединение, такое как коаксиальный кабель, на цифровой или аналоговый осциллограф для осуществления измерений. Когда измерение частичных разрядов осуществляется применительно к испытуемому образцу, производится измерение пикового значения сигнала-отклика, которое умножают на чувствительность контура, чтобы получить значение кажущегося заряда (в пКп).

Хотя датчики по стандарту EN/IEC 60270 позволяют детектировать сигналы от частичных разрядов, они не облегчают решение задачи получения информации о цикле мощности.

Другие приборы для мониторинга частичных разрядов

Опубликованы различные документы, описывающие альтернативные приборы для измерения частичных разрядов, возникающих в компонентах энергетического оборудования, например с использованием высоковольтных вводов с применением втулочных наконечников. Так, в патенте США № 3622872 описаны способ и аппарат для локализации коронных разрядов в высоковольтном индукционном устройстве, заполненном текучей средой. В описанном устройстве любая информация по циклу мощности устраняется посредством фильтрации и, как следствие, является недоступной для использования. Поэтому известный аппарат не облегчает осуществление одновременного мониторинга частичных разрядов и информации о цикле мощности с использованием единственной точки подключения.

Аппарат для мониторинга информации о цикле мощности

Патент США № 4757263 описывает адаптер для емкостного отвода, который может быть подсоединен к любой точке высоковольтного оборудования (например, трансформатора), снабженного вводом с проходным изолятором или емкостным отводом. Данный адаптер используется для оценки коэффициента нагрузки изоляции или собственной емкости оборудования. Любое изменение емкости изоляции определяется по изменению коэффициента нагрузки. Измерения производятся, когда оборудование включено под своим нормальным высоким напряжением. Чтобы рассчитать коэффициент нагрузки, производят сравнение тока, протекающего по указанному адаптеру (и измеряемого как напряжение), и напряжения, снимаемого с отдельного трансформатора напряжения, подключенного к источнику питания тестируемого оборудования. Изменения фазы или амплитуды сигнала, снимаемого с адаптера для емкостного отвода, характеризуют дефекты изоляции оборудования. Обеспечивается возможность осуществлять мониторинг среднесрочных, краткосрочных или долгосрочных трендов коэффициента нагрузки и подавать тревожные сигналы по мере необходимости.

Описанный адаптер для емкостного отвода неизбежно и существенно снижает уровень сигналов от частичных разрядов, поскольку построен по схеме емкостного делителя. Кроме того, сигналы проходят через фильтр нижних частот, чтобы, по существу, устранить высокочастотные составляющие сигналов. Как следствие, данный адаптер непригоден для измерения частичных разрядов и тем более для одновременного измерения, с использованием единственного емкостного отвода, частичных разрядов и сигнала, несущего информацию о цикле мощности.

Дополнительный недостаток описанного устройства заключается в том, что при выходе из строя обоих конденсаторов адаптера для емкостного отвода не будет существовать никакого механизма защиты, предотвращающего повреждение высоковольтного оборудования или приборов, подключенных для измерения свойств высоковольтного кабеля.

Альтернативный метод осуществления мониторинга информации о цикле мощности описан в патенте США №6028430. В данном патенте предложен метод оценки емкости трансформаторного ввода посредством мониторинга емкости этого ввода с целью выявления мелких и серьезных дефектов, например короткого замыкания. Метод предусматривает прямые измерения пониженного напряжения в цикле мощности на трех трансформаторных вводах и мониторинг любых изменений, а также запоминание зарегистрированных изменений и моментов, в которые они имели место, определение интервалов времени между, по меньшей мере, двумя изменениями и генерирование сигналов о дефекте (с применением средств нечеткой логики) на базе частоты возникновения или характеристики подобных изменений. Изменения пониженного напряжения являются мерой частичных повреждающих разрядов (т.е. не обычных частичных разрядов, а коротких замыканий через слои конденсаторной фольги) внутри вводов, которые можно отслеживать. При этом могут быть обнаружены нерегулярные или атипичные сигналы. Возможен также мониторинг сигналов, характеризующих различия между фазами, с целью обнаружения вариаций этих сигналов.

Решения, описанные в данном патенте, не облегчают измерения частичных разрядов; описанный в нем метод направлен только на поиск изменений в уровнях напряжений на тестируемом емкостном отводе. Поэтому описанная в данном патенте система не позволяет одновременно отслеживать частичные разряды и изменения напряжения в цикле мощности. Два производимых одновременно измерения просто дают больше информации о дефекте емкостного отвода.

Сплиттеры

Специалистам известно, что сплиттеры применяются для разделения электрического сигнала на низкочастотную и высокочастотную компоненты. Пример обычного сплиттера 5 представлен на фиг.2. Напряжение, снимаемое с трансформаторного ввода 6 и соответствующее переменному напряжению и сигналам от частичных разрядов, понижается до требуемого уровня (например такого, чтобы компонента переменного напряжения составляла 5 В) посредством шунтирующего конденсатора 7. Пониженное напряжение разделяется в блоке 8 сплиттера на компоненту 9, соответствующую переменному напряжению, которое несет информацию о цикле мощности, и на высокочастотную компоненту 10, которая соответствует возникающим частичным разрядам. Уровень высокочастотной компоненты 10 в типичном случае соответствует микровольтам, так что ее необходимо усиливать. Как переменное напряжение, несущее информацию о цикле мощности, так и сигнал от частичных разрядов могут быть синхронизированы посредством устройства синхронизации, чтобы получить привязку частичных разрядов к циклу мощности.

С обычным сплиттером 5 связаны следующие проблемы. Во-первых, до проведения каких-либо измерений импеданса сигналы от частичных разрядов существенно ослабляются вследствие наличия шунтирующего конденсатора 7. В результате требуется усиление данных сигналов. Однако необходимая обработка этих сигналов часто оказывается затруднительной вследствие их низкого уровня. Кроме того, если интерес представляют именно высокие частоты, любой использованный усилитель должен обеспечивать необходимое увеличение в диапазоне высоких частот, измеряемых, как минимум, в мегагерцах. Таким образом, чувствительность обычных сплиттеров ограничена вследствие ослабления высокочастотных компонент частичных разрядов шунтирующим конденсатором 7.

Альтернативный сплиттер описан в патенте США № 5247258, в котором предложена система для измерения частичных разрядов, а именно система детектирования частичных разрядов, предусматривающая также мониторинг цикла мощности. Недостаток данной системы состоит в том, что для получения информации о цикле мощности и сигнала от частичных разрядов она требует использования двух отдельных точек подключения. Кроме того, описанная система содержит емкостной делитель, ограничивающий чувствительность детектирования частичных разрядов с применением компонента, обладающего импедансом, поскольку суммарная емкость емкостного делителя формирует канал с низким импедансом для высокочастотных сигналов от частичных разрядов.

Патент США № 6313640 предлагает еще один альтернативный вариант обычного сплиттера. Он предусматривает осуществление мониторинга информации о цикле мощности путем подключения шунтирующего конденсатора, как это было описано выше. Однако мониторинг сигналов от частичных разрядов осуществляется с помощью трансформатора тока, охватывающего коннектор между трансформаторным вводом и шунтирующим конденсатором. Трансформатор тока обычно способен работать на частотах до 25 МГц. Сигналы от частичных разрядов для устранения шумов пропускают через соответствующий фильтр нижних частот, а затем усиливают. Чтобы компенсировать влияния любых емкостных и индуктивных эффектов со стороны ввода и силового трансформатора на измерения цикла мощности, предусмотрен контур настройки.

На практике было обнаружено, что трансформаторы тока формируют сигнал посредством индуктивного преобразования, что приводит к его обеднению в отношении высокочастотных составляющих. Наличие этих частотных ограничений не позволяет эффективно оценивать интегральный заряд частичных разрядов по отклику трансформатора тока. Кроме того, необходимы две раздельные точки подсоединения: точка подсоединения к отводу для мониторинга цикла переменного напряжения и точка подсоединения к трансформатору тока для мониторинга частичных разрядов. В дополнение, детектирование с применением трансформатора тока не позволяет оценивать кажущийся заряд, ассоциированный с любым разрядом, по соотношению сигналов, снимаемых с трансформатора тока, что не дает возможности точно определить реальный заряд отслеживаемых частичных разрядов.

Имеется также много публикаций, описывающих емкостные отводы для получения информации как о низкочастотном цикле мощности, так и о высокочастотных сигналах, ассоциированных с частичными разрядами. В качестве примера можно упомянуть контур 11 конденсаторного отвода, показанный на фиг.3 и подробно описанный в патентах США №№6433557, 6489782 и 6504382. В данном контуре 11 для получения информации о низкочастотном цикле мощности используются стандартный шунтирующий конденсатор 12 (С3) и включенный параллельно с ним компонент 13 (SA1) для защиты от перенапряжений. Между отводом или датчиком для исследования испытуемого объекта и шунтирующим конденсатором 12 включен изолирующий трансформатор 14 тока.

В схемах подобного типа один конец трансформатора 14 тока подсоединен к шунтирующему конденсатору 12, а другой конец - к соединительному кабелю 15, по которому сигнал передается на измерительный прибор. Такое выполнение позволяет передавать по кабелю 15 для последующих измерений совместно низкочастотную информацию о цикле мощности и высокочастотные сигналы от частичных разрядов. Для отделения низкочастотного сигнала Vac на стороне измерительного прибора используется индуктор 16 (L), импеданс которого для низкочастотных сигналов намного меньше, чем у конденсатора С4. Для отделения подлежащих отдельному измерению высокочастотных сигналов Vpd от частичных разрядов используется второй изолирующий трансформатор 17 тока.

Существенным недостатком подобных схем, использующих трансформаторы тока, является то, что такие трансформаторы не позволяют измерять кажущийся заряд, ассоциированный с разрядным током, непосредственно в точке измерений. При этом трансформаторы тока полезны только при работе с высокочастотными сигналами в ограниченной полосе частот, которая часто лежит ниже 25 МГц. Поскольку сигналы от частичных разрядов частот содержат существенно более высокие частотные составляющие, трансформаторы тока способны обеспечить только информацию в ограниченной полосе частот, что затрудняет интерпретацию регистрируемых разрядов.

Второй недостаток подобных схем обусловлен взаимным наложением информации о низкочастотном цикле мощности и сигналов от частичных разрядов. Такое наложение может приводить к проблемам, связанным с высоким уровнем суммарного сигнала, что может вызвать перегрузку приемника.

Еще одна проблема, ассоциированная с подобными схемами, касается электрической изоляции и безопасности для пользователя. В случае серьезного повреждения контура 11 и выхода из строя компонента 13 для защиты от перенапряжений и шунтирующего конденсатора 12 высоковольтное напряжение может оказаться приложенным к удаленному приборному оборудованию. Это может создать опасность для пользователей.

Ключи на трансформаторных вводах/выводах

Ключи, подключаемые к трансформаторным вводам/выводам, представляют известное специалистам решение для осуществления переключений измерительного оборудования, подсоединяемого к высоковольтным отводам и коннекторам. Пример такого ключа описан в патенте США № 6580276, согласно которому соответствующий ключ подключается к каждому вводу (выводу) силового трансформатора. Данная схема позволяет производить диагностику трансформатора, когда он функционирует и включен в сеть. Ключ, подключаемый к трансформаторному вводу, по существу, содержит два независимых ключа, каждый из которых находится в соответствующем замкнутом или разомкнутом состоянии, чтобы подключить или отключить измерительное оборудование. Когда измерительное оборудование подключено, могут производиться диагностика трансформатора и его оценка. При этом обеспечивается возможность измерений частичных разрядов и частотного отклика с целью получения раннего диагностирования рабочего состояния трансформатора. Описанное решение обеспечивает экономию затрат и времени по сравнению с альтернативой выключения трансформатора и отключения подсоединения к трансформаторному вводу.

Важным недостатком описанного ключа является то обстоятельство, что заземление испытуемого оборудования (в частности, трансформатора) и заземление измерительного оборудования непосредственно соединены одно с другим. Таким образом, между измерительным оборудованием и трансформаторным вводом/выводом не существует никакой изоляции до тех пор, пока измерительное оборудование не будет полностью отключено. Кроме того, ключ, подсоединяемый к трансформаторному вводу, фактически требует использования двух независимых ключей, первый из которых связывает данный ввод с землей, а второй обеспечивает разрыв контура и изоляцию измерительной системы. Следовательно, для активации и прекращения мониторинга необходимо успешное срабатывание обоих ключей. Если один из этих ключей выйдет из строя, ключ в целом становится неработоспособным, а это может привести к тому, что диагностическое оборудование будет оставаться постоянно подключенным.

Можно видеть, что весьма важным с точки зрения безопасности является обеспечение наличия электрической изоляции между любой аппаратурой, применяемой для мониторинга (включая любые ассоциированные с ним источники питания), и испытуемым источником высокого напряжения. Часто датчики и приборы для мониторинга состояния оборудования требуют питания, которое подается по электрическому кабелю от изолированного источника питания или от аккумуляторных батарей. Трудность применения подобных схем питания заключается в том, что всплески (выбросы) напряжения или неисправности высоковольтного оборудования могут приводить к серьезным проблемам. Так, могут возникать проблемы с заземлением, например существенное повышение напряжения на линии заземления, приводящее к выходу из строя приборов, подключенных к любому датчику. Возможно также поражение пользователя током в результате контакта с линией заземления.

Во-вторых, может выйти из строя линия подачи питания, в результате чего она также может оказаться под высоким напряжением. Это может привести к повреждению источника питания или причинению вреда пользователю, который не подозревает о наличии высокого напряжения на каком-то из кабелей, подключенных к датчику.

В случае применения батарей возникает трудность, состоящая в том, что они также требуют наличия гальванической линии и должны перезаряжаться или заменяться. И в этом случае при наличии повреждения в высоковольтном оборудовании возникает угроза для безопасности оператора, производящего замену или перезарядку батарей.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение в одном своем аспекте, состоит в создании датчика для мониторинга высоковольтной изоляции, способного одновременно производить измерения сигналов от частичных разрядов и сигнала, несущего информацию о цикле мощности, через единственную точку подсоединения к объекту, находящемуся под высоким напряжением. Еще одной задачей, решаемой изобретением в данном аспекте, является создание аппарата для мониторинга высоковольтной изоляции, способного оценивать и классифицировать сигналы от частичных разрядов от источника высокого напряжения.

Дальнейшая задача состоит в разработке аппарата для мониторинга высоковольтной изоляции, который обеспечивает электрическую изоляцию пользователя, дистанционную подачу питания и дистанционное отключение аппарата, осуществляющего мониторинг, при подключении данного аппарата к источнику высокого напряжения.

Согласно первому аспекту изобретения предусматривается блок измерения импеданса для использования в составе датчика для мониторинга высоковольтной изоляции. Данный блок измерения импеданса содержит:

входной канал для приема от электрической системы входного сигнала напряжения;

первую ветвь, в которой имеется первая группа электрических компонентов, обладающая первым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения; и

вторую ветвь, которая электрически параллельна первой ветви и в которой имеется вторая группа электрических компонентов, обладающая вторым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения.

При этом первый импеданс больше второго импеданса, что обеспечивает предпочтительное прохождение одного или более сигналов от частичных разрядов по второй ветви.

В предпочтительном варианте первая группа электрических компонентов обладает третьим импедансом для сигнала, содержащегося во входном сигнале напряжения и несущего информацию о цикле мощности. Вторая группа электрических компонентов обладает при этом четвертым импедансом для сигнала, несущего информацию о цикле мощности, превышающим третий импеданс. Тем самым обеспечивается предпочтительное прохождение сигнала, несущего информацию о цикле мощности, по первой ветви.

Особо желательно, чтобы вторая группа электрических компонентов содержала полосовой фильтр высшего порядка, выходной сигнал которого был бы чувствителен к изменению одного или более входных сигналов от частичных разрядов.

Вторая ветвь может дополнительно содержать усилитель второй ветви для усиления выходного сигнала полосового фильтра высшего порядка.

Согласно предпочтительному варианту первая ветвь дополнительно содержит низкочастотный полосовой фильтр для отфильтровывания шумов из сигнала, несущего информацию о цикле мощности. Первая ветвь может дополнительно содержать также усилитель первой ветви для усиления сигнала, несущего информацию о цикле мощности.

Первая группа электрических компонентов предпочтительно содержит первый индуктор и первый конденсатор, последовательно включенные в первой ветви. Альтернативно, первая группа электрических компонентов содержит первый индуктор и первый резистор, включенные последовательно в первой ветви. Наиболее предпочтительно, чтобы блок измерения импеданса дополнительно содержал один или более разрядников для защиты от перенапряжений, включенных параллельно с первой и второй ветвями. Эти разрядники служат для обеспечения защиты компонентов первой и второй ветвей от кратковременных всплесков напряжения во входном сигнале напряжения.

Особо желательно, чтобы блок измерения импеданса дополнительно содержал ключ, включенный электрически параллельно первой ветви. При активации ключа он переходит из разомкнутого состояния в замкнутое, обеспечивая электрическое подсоединение входного канала к первой и второй ветвям.

Такой ключ предпочтительно представляет собой релейный ключ, выбранный из группы, содержащей электромеханический, оптомеханический, микроэлектромеханический и твердотельный ключи.

В предпочтительном варианте блок измерения импеданса дополнительно содержит третью ветвь, электрически параллельную первой ветви. Эта ветвь содержит третью группу электрических компонентов, обладающую первым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения.

Особо желательно, чтобы третья группа электрических компонентов обладала третьим импедансом для сигнала, содержащегося во входном сигнале напряжения и несущего информацию о цикле мощности.

При этом третья группа электрических компонентов предпочтительно содержит второй индуктор и второй конденсатор, последовательно включенные в третьей ветви. Альтернативно, третья группа электрических компонентов содержит второй индуктор и второй резистор, последовательно включенные в третьей ветви.

В соответствии со вторым аспектом изобретения в состав датчика входит оптоэлектронный контур для управления блоком измерения импеданса. Оптоэлектронный контур содержит источник оптического излучения, оптически связанный с оптоэлектрическими преобразователями энергии, и один или более электроопических преобразователей энергии, выполненных с возможностью получения энергии от оптоэлектрических преобразователей энергии. При этом один или более электроопических преобразователей выполнены с возможностью преобразования электрического выходного сигнала блока измерения импеданса в оптический сигнал для его передачи в пункт, пространственно удаленный от блока измерения импеданса.

В предпочтительном варианте оптоэлектронный контур дополнительно содержит первое оптическое волокно, сопрягающее источник оптического излучения с оптоэлектрическим преобразователем энергии.

Кроме того, оптоэлектронный контур может дополнительно содержать одно или более вторых оптических волокон, сопрягающих один или более электрооптических преобразователей с указанным удаленным пунктом.

Наиболее предпочтительно, чтобы оптоэлектрический преобразователь энергии обеспечивал средство для осуществления питания одного или более компонентов блока измерения импеданса.

В своем третьем аспекте изобретение предлагает датчик для мониторинга высоковольтной изоляции, содержащий блок измерения импеданса согласно первому аспекту изобретения, оптоэлектронный контур согласно его второму аспекту и систему измерения данных, пространственно удаленную от блока измерения импеданса и связанную с ним посредством оптоэлектронного контура.

Наиболее предпочтительно, чтобы датчик дополнительно содержал коннектор, представляющий собой средство для электрического подсоединения входного канала блока измерения импеданса к электрической распределительной сети и/или к компоненту оборудования энергетического предприятия.

Оптоэлектрический преобразователь энергии предпочтительно обеспечивает средство для дистанционной активации единственного релейного ключа или двух или более релейных ключей, включенных взаимно параллельно.

Оптоэлектрический преобразователь энергии предпочтительно обеспечивает также средство для осуществления питания усилителя первой ветви и/или усилителя второй ветви.

Краткое описание чертежей

Далее варианты настоящего изобретения будут описаны, в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлен базовый электрический контур прибора, пригодного для измерений частичных разрядов в соответствии со стандартом EN/IEC 60270.

На фиг.2 показана электрическая схема обычного сплиттера, позволяющего получать информацию о низкочастотном цикле мощности и сигналы от частичных разрядов.

На фиг.3 приведена известная схема емкостного отвода, используемого для детектирования сигнала, несущего информацию о низкочастотном цикле мощности, и сигналов от частичных разрядов.

На фиг.4 представлен датчик для мониторинга высоковольтной изоляции в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения.

На фиг.5 показаны профили типичных выходных сигналов, формируемых датчиком и соответствующих (слева направо) частичным разрядам с длительностью нарастания 1 нс, 100 нс, 200 нс, 500 нс и 1000 нс и с длительностью затухания, существенно превышающей длительность нарастания (фиг.5а) и равной соответствующей длительности нарастания (фиг.5b).

На фиг.6 представлен альтернативный вариант датчика для мониторинга высоковольтной изоляции.

На фиг.7 представлен альтернативный вариант блока измерения импеданса датчика для мониторинга высоковольтной изоляции по фиг.6.

На фиг.8 показан датчик для мониторинга высоковольтной изоляции по фиг.6, подключенный к трансформаторному вводу/выводу.

Осуществление изобретения

На фиг.4 представлен датчик 18 для мониторинга высоковольтной изоляции в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Можно видеть, что датчик 18 содержит блок 19а измерения импеданса, который является средством осуществления мониторинга и обработки высоковольтного сигнала от системы генерации, передачи или распределения электроэнергии или от высоковольтного (HV) компонента 20 оборудования энергетического предприятия. На фиг.4 обозначение Са соответствует емкости 21 распределительной сети или компонента оборудования. Имеется также конденсатор 22 связи (Ck), который соответствует либо собственной емкости компонента, мониторинг которого осуществляется (например, трансформаторного ввода), либо высоковольтному конденсатору, подключенному к данному компоненту.

Блок 19а измерения импеданса подсоединен к системе 23 измерения данных посредством оптоэлектронного контура 24. Этот контур (как будет описано далее) обеспечивает подачу напряжения к различным компонентам датчика 18 для мониторинга высоковольтной изоляции и перенос сигналов (Vpd), соответствующих частичным разрядам, и сигнала (Vac), несущего информацию о цикле мощности, в систему 23 измерения данных. При поступлении в нее указанных данных цифровая система 23 измерения данных осуществляет их стандартную обработку методом быстрого преобразования Фурье. Такая обработка позволяет определять качество мощности/содержание гармоник в анализируемых сигналах и осуществлять мониторинг и оценку информации о цикле мощности. Специалистам будет понятно, что для анализа сигналов о частичных разрядах и сигнала, несущего информацию о цикле мощности, в системе 23 измерения данных могут быть использованы и альтернативные методы обработки сигналов.

Одним из компонентов, питание к которому подается через оптоэлектронный контур, является дистанционный релейный ключ 25 (находящийся в блоке 19а измерения импеданса). Данный ключ 25 может быть реализован в различных вариантах, включая электромеханический, оптомеханический, твердотельный и микроэлектромеханический. Функционирование указанного ключа 25 будет подробно описано далее.

Блок 19а измерения импеданса содержит различные электрические компоненты, расположенные в его различных ветвях. Рассматриваемый вариант данного блока содержит в своей первой ветви 26 индуктор 27, включенный последовательно с конденсатором 28. Первая ветвь 26 содержит также фильтр 29 нижних частот и усилитель 30 первой ветви. Вторая ветвь 31 содержит пассивный полосовой фильтр 32 n-го порядка (например, фильтр Баттерворта или Гаусса) и усилитель 33 второй ветви. Параллельно с компонентами первой и второй ветвей 26, 31 включен искровой разрядник 34, чтобы защитить эти компоненты от больших всплесков напряжения.

Компоненты 27 и 28 выбраны таким образом, что в тех случаях, когда входной сигнал, в частности сигнал, соответствующий частичному разряду, содержит высокочастотную составляющую (с частотой более 1 МГц), эти последовательно включенные компоненты образуют для такого сигнала путь с высоким импедансом (десятки килоом). Поэтому подобные сигналы предпочтительно проходят по второй ветви 31, имеющей низкий импеданс (около 100 Ом). Для низкочастотных сигналов, например соответствующих частотам цикла мощности (50 Гц или 60 Гц), последовательно включенные компоненты 27 и 28 формируют путь с низким импедансом (около 100 Ом) по сравнению со второй ветвью (десятки килоом). Поэтому подобные сигналы предпочтительно проходят по первой ветви 26. В рассматриваемом варианте индуктивность Lm1 индуктора 27 составляет 1 мГн, тогда как емкость Cm1 конденсатора 28 равна 20 мкФ. Описанная схема обеспечивает, таким образом, разделение сигналов от частичных разрядов и информации о цикле мощности (и об ассоциированных с ним гармониках) между второй и первой ветвями 31, 26 соответственно. Тем самым обеспечивается возможность их одновременного независимого измерения при съеме напряжения с конденсатора 21 в одной точке, как это будет более подробно описано далее. Перед их дальнейшей передачей для измерения сигналы в первой или второй ветвях 26, 31 усиливаются посредством соответственно усилителя 30 первой ветви или усилителя 33 второй ветви.

Питание к различным компонентам датчика 18 для мониторинга высоковольтной изоляции подается через оптоэлектронный контур 24. Этот контур содержит лазерный источник (волоконный лазер) 35, способный обеспечить мощность 5 Вт, который подключен к оптоэлектрическому (О/Э) преобразователю 36 энергии. Между выходом усилителя 30 первой ветви и системой 23 измерения данных расположены первый электроопический (Э/О) преобразователь 37а, первое оптическое волокно 38а и первый оптоэлектрический преобразователь 39а. Аналогично, второй электроопический преобразователь 37b, второе оптическое волокно 38b и второй оптоэлектрический преобразователь 39b включены между выходом усилителя 33 второй ветви и системой 23 измерения данных.

Оптоэлектрический преобразователь 36 энергии является источником мощности (около 750 мВт) для электроопических преобразователей 37а и 37b, что делает возможным передачу сигнала, несущего информацию о цикле мощности, и сигналов о частичных разрядах через оптические волокна 38а и 38b соответственно к ассоциированным с ними оптоэлектрическим преобразователям 39а и 39b и далее в систему 23 измерения данных.

Из фиг.4 можно видеть, что оптоэлектрический преобразователь 36 энергии обеспечивает также мощность (около 150 мВт), необходимую для функционирования дистанционного релейного ключа 25. Данный ключ функционирует следующим образом. При включении системы передачи энергии мощность, подаваемая на дистанционный релейный ключ 25, обеспечивает его автоматическое переключение в положение, соответствующее готовности датчика. При выключении системы контрольное напряжение автоматически переключает дистанционный релейный ключ 25 в нерабочее состояние (соответствующее короткому замыканию датчика). Таким образом, функция данного ключа 25 состоит во включении блока 19а измерения импеданса для обеспечения возможности измерений или в его отключении путем формирования короткозамкнутой цепи на входе блока 19а измерения импеданса. Последнее состояние данного блока позволяет испытуемому объекту эффективно функционировать в отсутствие датчика и, следовательно, является нормальным состоянием для данного объекта.

Дополнительная функция дистанционного релейного ключа 25 состоит в том, что в состоянии отключения он обеспечивает наличие цепи с нулевым импедансом, создавая тем самым дополнительный уровень безопасности для компонентов датчика 18 в случае очень больших всплесков напряжения, которые могут иметь место в процессе нормального функционирования испытуемого объекта, когда измерения не производятся. Фактически датчик 18 включается только тогда, когда требуется осуществить измерения; остальное время он находится в неактивном состоянии или отключен от цепи.

Применение оптоэлектронного контура 24 обеспечивает несколько важных преимуществ по сравнению с контурами, использующими исключительно электрические компоненты. Во-первых, достигается полная электрическая изоляция блока 19а измерения импеданса, подключаемого к компоненту высоковольтного оборудования, что является условием осуществления мониторинга. Во-вторых, использование оптоэлектронного контура 24 обеспечивает возможность дистанционной подачи питания на компоненты датчика 18 для мониторинга высоковольтной изоляции с применением электрически изолированного средства (волоконного лазера 35). Далее, комбинация волоконного лазера 35 и дистанционного релейного ключа 25 позволяет обеспечить подачу сигналов на датчик 18 только в периоды, когда необходимо произвести измерения. Применение оптических волокон 38а и 38b позволяет безопасно передавать информацию о цикле мощности и сигналы о частичных разрядах в систему 23 измерения данных, которая при этом может находиться на расстоянии от объекта. Наконец, в случае применения оптических волокон 38а и 38b для передачи сигналов в систему измерения достаточно иметь только один переключающий элемент. При этом дистанционный ключ 25 остается в замкнутом (закрытом) положении до включения источника оптической энергии, после чего этот ключ автоматически переходит в разомкнутое (открытое) положение, приводя тем самым датчик 18 в рабочее состояние.

Измерение частичных разрядов

Известная проблема измерений частичных разрядов заключается в том, что семплирование очень быстрых импульсов в цифровом режиме является дорогостоящим. С учетом этого вторая ветвь 31 блока 19а измерения импеданса обеспечивает импульсный сигнал, соответствующий импедансу, так что высокочастотные сигналы, соответствующие частичным разрядам, могут быть преобразованы в более медленно изменяющийся синусоидальный выходной сигнал. Это позволяет применить для измерений и анализа недорогую, менее скоростную цифровую аппаратуру, в частности компоненты, находящиеся в составе системы 23 измерения данных.

Интегрирование сигналов от частичных разрядов с получением суммарного заряда, участвующего в частичном разряде (и представляющего собой меру кажущегося заряда), обеспечивается в результате комбинированного действия полосового фильтра 32 n-го порядка и LC-компонентов 27 и 28 первой ветви, которые совместно образуют полосовой фильтр, действующий как интегратор. Другим словами, LC-компоненты 27 и 28 первой ветви 26 и полосовой фильтр 32 n-го порядка подобраны таким образом, чтобы формировать единый полосовой фильтр. Именно свойства данного фильтра являются критичными для того, чтобы блок 19а измерения импеданса был способен выделять сигнал, несущий информацию о цикле мощности и о его гармониках, направляя этот сигнал в первую ветвь 26, и формировать во второй ветви 31, в ответ на высокочастотный частичный разряд, импульсный сигнал, пиковое значение которого характеризует кажущийся заряд.

Было обнаружено также, что при соответствующем выборе параметров полосового фильтра 32 n-го порядка можно обеспечить чувствительность измерений сигналов от частичных разрядов к изменениям токов частичных разрядов на входе. Частичные разряды, как и короткие шумовые сигналы, могут варьировать в отношении времени их нарастания и затухания. Эти различия между сигналами могут быть характерными для различных механизмов возникновения частичных разрядов или для различных локализаций частичных разрядов, происходящих в тестируемом образце или в компоненте оборудования. В последнем случае часто имеют место более медленные нарастание и затухание разрядов как следствие потерь на прохождение в испытуемом объекте. Таким образом, полосовой фильтр 32 n-го порядка был введен, поскольку присущий ему отклик чувствителен к изменению профиля входных сигналов от частичных разрядов, но при этом соответствующие изменения сигналов лежат в пределах возможностей цифровых компонентов системы 23 измерения данных.

Выходной сигнал Vpd блока 19а измерения импеданса, соответствующий частичным разрядам, может быть прокалиброван применительно к различным профилям волновых фронтов, включая варианты с малыми временами нарастания или затухания, таким образом, чтобы ключевые характеристики профиля сигнала на выходе определяли форму входного сигнала. В качестве ключевых характеристик, описывающих профиль выходного сигнала, выбраны количество пиков (N), пиковые значения (Vp1, Vp2 и т.д.), временные интервалы, соответствующие пиковым значениям, измеряемые от начала сигнала (Тр1, Тр2 и т.д.), временные интервалы, соответствующие моментам пересечения нулевого уровня и измеряемые от начала сигнала (Tz1, Tz2 и т.д.), и общая длительность сигнала (Td). По этим параметрам могут быть определены другие, нормализованные оценки, позволяющие классифицировать профили выходных сигналов и тем самым способствовать осуществлению мониторинга или обнаружению вариаций подобных профилей.

Например, чтобы характеризовать профили выходных сигналов и их вариабельность, были использованы следующие параметры:

- отношение пиковых значений сигналов, например Vp2/Vp1, Vp3/Vp1, Vp3/Vp2;

- отношение временных интервалов для пиковых значений, например Тр2/Тр1, Тр3/Тр1, Тр3/Тр2;

- отношение временных интервалов для пересечения нулевого уровня, например Tz2/Tz1, Tz3/Tz1, Tz3/Tz2;

- отношение временных интервалов для пиковых значений к общей длительности, например Tp1/Td, Tp2/Td;

- отношение временных интервалов для пересечения нулевого уровня к общей длительности, например Tz1/Td, Tz2/Td.

Перечисленные параметры и измерение их вариаций обеспечивают средства для оценки и классификации сигналов от частичных разрядов, измеряемых датчиком 18. Примеры профилей типичных выходных сигналов для различных длительностей нарастания и затухания сигналов, полученных для различных сигналов от частичных разрядов, приведены на фиг.5. Более конкретно, фиг.5(а) иллюстрирует влияние на профиль выходного сигнала Vpd длительности нарастания сигнала от частичного разряда (составляющей для представленных профилей 1 нс, 100 нс, 200 нс, 500 нс и 1000 нс), а также от длительности затухания данного сигнала (которая существенно превышает длительность нарастания). Видно, что по мере увеличения длительности нарастания выходные сигналы становятся менее интенсивными и более широкими. Так, наибольшая и наименьшая амплитуды выходного сигнала соответствуют длительностям нарастания, равным 1 нс и 1000 нс соответственно. Фиг.5(b) иллюстрирует вариации профиля выходного сигнала для симметричных сигналов от частичных разрядов, т.е. от сигналов с одинаковыми длительностями нарастания и затухания, составляющими для приведенных на фиг.5(b) примеров 1 нс, 100 нс, 200 нс, 500 нс и 1000 нс. В этом случае длительность выходных сигналов возрастает с возрастанием длительностей нарастания и затухания исходных сигналов. Так, наибольшая и наименьшая длительности выходных сигналов соответствуют длительностям нарастания (и затухания), равным 1 нс и 1000 нс соответственно.

В обоих случаях, если это необходимо, длительность выходных сигналов может быть существенно уменьшена (например, вплоть до 100 пс) в зависимости от допустимых затрат на осуществление семплирования сигналов. Профили сигналов, представленных на фиг.5(а) и 5(b), ясно показывают, что приведенные выше ключевые параметры профиля выходных сигналов позволяют обнаруживать и классифицировать различные варианты изменений профилей входных сигналов, обусловленные различием механизмов частичных разрядов или сигналами от частичных разрядов, утративших значительную часть своей энергии в процессе прохождения через обмотки, и т.д.

Измерение информации о цикле мощности

Как было описано выше, блок 19а измерения импеданса построен таким образом, что ток, обусловленный информацией о цикле мощности, проходит через LC-компоненты 27 и 28, находящиеся в первой ветви 26, поскольку она соответствует пути с малым импедансом. Напряжение на конденсаторе 28, используемое в качестве характеристики цикла мощности, сначала подается на полосовой фильтр 29 с целью устранения избыточных шумов. За счет выбора параметров цепи можно обеспечить соответствие данного напряжения интервалу, приемлемому для измерительной схемы. На практике был использован интервал от менее 1 В до нескольких вольт. Следует также отметить, что благодаря правильному выбору параметров датчика напряжение на конденсаторе 28 совпадает по фазе с сигналом, несущим информацию о цикле мощности.

На фиг.6 представлен альтернативный вариант датчика 18 для мониторинга высоковольтной изоляции. Этот вариант близок к варианту, представленному на фиг.4 и подробно описанному выше. Однако в данном варианте блок 19b измерения импеданса дополнительно содержит третью ветвь 26b, включенную параллельно первой ветви 26 и состоящую из индуктора 27b (с индуктивностью Lm2) и конденсатора 28b (с емкостью Сm2). Кроме того, имеется второй искровой разрядник 34b, включенный параллельно компонентам первой, второй и третьей ветвей 26, 31 и 26b для обеспечения дополнительной защиты различных компонентов от больших всплесков напряжения. Действительно, если один из искровых разрядников 34, 34b не сработает, защита будет обеспечена другим, резервным искровым разрядником.

Подобно первой ветви 26, третья ветвь 26b обладает высоким импедансом (составляющим десятки килоом) для высокочастотных сигналов, т.е. сигналов от частичных разрядов (с частотами >1 МГц). Третья ветвь 26b введена только с целью обеспечить нормальную работу датчика 18b для мониторинга высоковольтной изоляции при выходе из строя одного из индукторов 27, 27b или конденсаторов 28, 28b.

На фиг.7 представлен вариант блока 19с измерения импеданса в составе датчика для мониторинга высоковольтной изоляции, альтернативный варианту, представленному на фиг.6. В данном варианте искровые разрядники 34 заменены разрядниками 40 (SA1, SA2) для защиты от перенапряжений (т.е. всплесков напряжения), выполненными на базе металлоксидных варисторов (MOB). При этом специалистам в соответствующей области будет понятно, что разрядники 34 или разрядники 40 на базе MOB могут быть заменены какими-либо иными средствами защиты от перенапряжений.

Датчик 18 или 18b для мониторинга высоковольтной изоляции может быть непосредственно подключен к высоковольтному вводу/выводу или к какому-либо компоненту высоковольтного оборудования, например к силовым трансформаторам или к любой типовой схеме измерений согласно стандарту EN/IEC 60270. Пример подключения к трансформатору представлен на фиг.8. Ввод 41 трансформатора образует емкость связи (обычно ассоциируемую с блоком 19b измерения импеданса), а также шунтирующую емкость на землю. Подключение блока 19b измерения импеданса осуществляется через соответствующий соединительный блок 42. Такая схема позволяет синхронизировать частичные разряды с соответствующей фазой трансформатора. Одновременно может производиться и мониторинг информации о цикле мощности для анализа качества мощности или вариаций емкости ввода.

Помимо описанных, возможны и многие другие варианты выполнения. Например, к емкостным компонентам первой и третьей ветвей 26, 26b может быть добавлен резистивный компонент R (резистор). Критичным условием в этом случае также является такой выбор LR-компонентов, чтобы данная комбинация обеспечивала высокий импеданс для сигнала, содержащего высокочастотную компоненту, т.е. для сигнала от частичного разряда. В результате подобные сигналы будут проходить по второй ветви 31, имеющей для них низкий импеданс. Следует отметить, что при использовании LR-комбинации в качестве характеристики цикла мощности используется напряжение на резисторе. При правильном выборе параметров это напряжение может быть смещено по фазе на 90° относительно цикла мощности. Следовательно, если метод обработки сигналов требует нулевого фазового сдвига, в схему должна быть включена цепь для соответствующего обратного фазового сдвига.

В другом варианте дистанционный ключ 25 может быть заменен двумя или более подобными ключами, включенными параллельно. Это решение повышает надежность срабатывания (за счет дублирования) ключа, обеспечивающего включение/отключение датчика. Если один из ключей не сработает, отключение датчика произведет второй ключ.

В описанных вариантах оптоэлектронный контур 24 обеспечивает питание для всех компонентов датчика 18. Специалистам должно быть понятно, что в качестве альтернативного источника питания одного или более компонентов датчика 18, например усилителей 30 и 33, могут быть использованы аккумуляторные батареи. Однако неудобства, связанные с необходимостью перезаряжать такие батареи в условиях высокого напряжения, а также ограниченная длительность функционирования в случае применения батарей делает данный вариант менее желательным.

Можно также отметить, что принципы, на которых основан оптоэлектронный контур 24, могут быть использованы для обеспечения питания многих известных систем. Например, оптоэлектронный контур 24 может быть встроен в системы, предусмотренные стандартом EN/IEC 60270 (типа системы по фиг.1), в которых сигналы от частичных разрядов, снимаемые с компонента 4, могут быть затем переданы по оптическому волокну.

Хотя датчик был описан применительно к мониторингу высоковольтного трансформатора, он может быть применен и для мониторинга существования и вариабельности быстрых токовых импульсов в любом другом оборудовании. В качестве неограничивающих примеров могут быть указаны варианты мониторинга процесса электрохимического сверления, разрядов, имеющих место в электрических машинах, и коротких импульсов в линиях подачи электропитания.

Описанный датчик мониторинга высоковольтной изоляции обладает рядом преимуществ по сравнению с известными системами. Прежде всего, этот датчик требует только одной точки подключения и позволяет реализовать измерительную систему, обеспечивающую возможность одновременных измерений сигналов от частичных разрядов и сигнала, несущего информацию о цикле мощности, в испытуемом образце (т.е. на емкости Са). Информация о цикле мощности может быть затем использована для фазовой привязки частичных разрядов, что позволяет более точно интерпретировать и характеризовать данные сигналы. Эти результаты достигаются без необходимости использования дорогостоящего оборудования для мониторинга вариаций применительно к индивидуальным частичным разрядам. Изменения в характере индивидуальных частичных разрядов можно классифицировать по характеристическим параметрам выходных сигналов датчика.

Информация о цикле мощности может быть также использована для мониторинга качества цикла мощности. Такие возможности датчика устраняют необходимость (свойственную многим коммерческим системам анализа частичных разрядов) в наличии другого источника для фазовой привязки, например в виде локальной сети. Поскольку фазовая привязка по отдельному независимому источнику обычно приводит к фазовому сдвигу, значение которого точно неизвестно, интерпретации на основе таких неточных фазовых привязок часто оказываются ошибочными. Поэтому возможность одновременного получения информации о цикле мощности является очевидным преимуществом датчика по изобретению.

Кроме того, специалистам будет понятно, что при наличии у конкретного испытуемого образца нескольких точек подключения (например, нескольких трансформаторных вводов) появляется возможность мониторинга информации о цикле мощности на частоте 50 Гц для различных точек образца с помощью нескольких датчиков для мониторинга высоковольтной изоляции. Использование такой схемы для одновременного мониторинга информации о цикле мощности испытуемого образца может обеспечить возможность дополнительной диагностики путем мониторинга функционирования точек подключения испытуемого образца.

Рассмотрим случай одновременного мониторинга трех или более трансформаторных вводов/выводов посредством трех или более датчиков для мониторинга высоковольтной изоляции. Изменения значений измеряемого напряжения и/или фазы сигнала, несущего информацию о цикле мощности на частоте 50 Гц, будут указывать на изменение физических свойств вводов/выводов. Так, при одновременном осуществлении мониторинга трех или более вводов (выводов) появляется возможность идентифицировать изменение суммарной емкости (или tgΔ). Если такое относительное изменение превысит установленный уровень, это будет указывать на появление дефекта, для устранения которого должны быть приняты соответствующие меры.

Дополнительные преимущества создаются использованием дистанционного питания с применением оптоволоконной технологии. В частности, такое выполнение повышает качество электрической изоляции между высоковольтным испытуемым оборудованием и датчиком.

Аналогично, применение ключа обеспечивает автоматическое включение датчика только тогда, когда к нему подается напряжение, т.е. когда требуется произвести измерения. Дистанционный ключ обеспечивает также автоматическое отключение (или закорачивание) датчика при снятии с него напряжения, чтобы дополнительно защитить датчик от последствий всплесков напряжения и перенапряжений, которые обычно возникают в процессе длительного функционирования компонента оборудования или испытуемого образца. Тем самым увеличивается срок службы датчика.

Данное описание изобретения приведено лишь для разъяснения его сущности и не ограничивает объем изобретения только сведениями, включенными в описание. Описанные варианты изобретения были выбраны и представлены только с целью разъяснения принципов изобретения и его практических применений, что позволит специалистам наилучшим образом использовать изобретение в его различных вариантах и модификациях, адаптированных к условиям конкретных применений. Соответственно, в изобретение могут быть внесены дополнительные модификации и усовершенствования, не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой.

Изобретение относится к мониторингу состояния высоковольтной изоляции системы генерации, передачи или распределения электроэнергии и/или энергетического оборудования. Сущность изобретения: датчик содержит блок импеданса, который непосредственно, через единственную точку подсоединения подключен к испытуемой электрической системе. Электрические компоненты блока импеданса выполнены и включены таким образом, что высокочастотный сигнал от частичных разрядов и низкочастотный сигнал, несущий информацию о цикле мощности, предпочтительно проходят по различным ветвям данного блока. Анализ этих разделенных сигналов позволяет извлечь из них информацию об изоляции в электрической системе, подвергнутой мониторингу. Технический результат: наличие только одной точки подключения, возможность одновременных измерений сигналов от частичных разрядов и сигнала, несущего информацию о цикле мощности, безопасная по отношению к пользователям работа датчика, в том числе за счет использования оптоэлектронного контура для управления блоком импеданса. 24 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Датчик для мониторинга состояния высоковольтной изоляции электрической системы, содержащий блок импеданса, который обеспечивает разделение сигналов от частичных разрядов и информации о цикле мощности с возможностью переноса сигнала, несущего информацию о цикле мощности и сигналов о частичных разрядах, в измерительную систему для одновременного независимого измерения и который содержит:
входной канал для приема от электрической системы входного сигнала напряжения;
первую ветвь, в которой имеется первая группа электрических компонентов, обладающая первым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения; и третьим импедансом для сигнала, содержащегося во входном сигнале напряжения и несущего информацию о цикле мощности, и
вторую ветвь, которая электрически параллельна первой ветви и в которой имеется вторая группа электрических компонентов, обладающая вторым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения, и четвертым импедансом для сигнала, несущего информацию о цикле мощности;
причем, первый импеданс больше второго импеданса, что обеспечивает предпочтительное прохождение одного или более сигналов от частичных разрядов по второй ветви, а четвертый импеданс превышает третий импеданс, что обеспечивает предпочтительное прохождение сигнала, несущего информацию о цикле мощности, по первой ветви;
при этом во второй ветви обеспечивается получение суммарного заряда, участвующего в частичном разряде и представляющего собой меру кажущегося заряда.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что вторая группа электрических компонентов содержит полосовой фильтр высшего порядка, выходной сигнал которого чувствителен к изменению одного или более входных сигналов от частичных разрядов.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что вторая ветвь дополнительно содержит усилитель второй ветви для усиления выходного сигнала полосового фильтра высшего порядка.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая ветвь дополнительно содержит низкочастотный полосовой фильтр для отфильтровывания шумов из сигнала, несущего информацию о цикле мощности.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая ветвь дополнительно содержит усилитель первой ветви для усиления сигнала, несущего информацию о цикле мощности.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая группа электрических компонентов содержит первый индуктор и первый конденсатор, последовательно включенные в первой ветви.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая группа электрических компонентов содержит первый индуктор и первый резистор, включенные последовательно в первой ветви.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок импеданса дополнительно содержит один или более разрядников для защиты от перенапряжений, включенных параллельно с первой и второй ветвями и служащих для обеспечения защиты компонентов первой и второй ветвей от кратковременных всплесков напряжения во входном сигнале напряжения.

9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок импеданса дополнительно содержит один или более ключей, включенных электрически параллельно первой ветви, причем при активации единственного или каждого из ключей он переходит из разомкнутого состояния в замкнутое, обеспечивая электрическое подсоединение входного канала к первой и второй ветвям.

10. Датчик по п.9, отличающийся тем, что релейный ключ представляет собой релейный ключ, выбранный из группы, содержащей электромеханический, оптомеханический, микроэлектромеханический и твердотельный ключи.

11. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок импеданса дополнительно содержит третью ветвь, электрически параллельную первой ветви и содержащую третью группу электрических компонентов, обладающую первым импедансом для одного или более сигналов от частичных разрядов, содержащихся во входном сигнале напряжения.

12. Датчик по п.11, отличающийся тем, что третья группа электрических компонентов обладает третьим импедансом для сигнала, содержащегося во входном сигнале напряжения и несущего информацию о цикле мощности.

13. Датчик по п.11, отличающийся тем, что третья группа электрических компонентов содержит второй индуктор и второй конденсатор, последовательно включенные в третьей ветви.

14. Датчик по п.11, отличающийся тем, что третья группа электрических компонентов содержит второй индуктор и второй резистор, последовательно включенные в третьей ветви.

15. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно содержит оптоэлектронный контур для управления блоком импеданса.

16. Датчик по п.15, отличающийся тем, что оптоэлектронный контур содержит источник оптического излучения, оптически связанный с оптоэлектрическим преобразователям энергии, и один или более электроопических преобразователей энергии, выполненных с возможностью получения энергии от оптоэлектрического преобразователя энергии, при этом один или более электроопических преобразователей выполнены с возможностью преобразования электрического выходного сигнала блока импеданса в оптический сигнал для его передачи в пункт, пространственно удаленный от блока импеданса.

17. Датчик по п.16, отличающийся тем, что оптоэлектронный контур дополнительно содержит первое оптическое волокно, сопрягающее источник оптического излучения с оптоэлектрическим преобразователем энергии.

18. Датчик по п.16, отличающийся тем, что оптоэлектронный контур дополнительно содержит одно или более вторых оптических волокон, сопрягающих один или более электрооптических преобразователей с указанным удаленным пунктом.

19. Датчик по п.16, отличающийся тем, что оптоэлектрический преобразователь энергии обеспечивает средство для осуществления питания одного или более компонентов блока импеданса.

20. Датчик по п.16, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему измерения данных, пространственно удаленную от блока импеданса и связанную с ним посредством оптоэлектронного контура.

21. Датчик по п.1, отличающийся тем, что датчик для мониторинга высоковольтной изоляции дополнительно содержит коннектор, представляющий собой средство для электрического подсоединения входного канала блока импеданса к электрической распределительной сети.

22. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит коннектор, представляющий собой средство для электрического подсоединения входного канала блока импеданса к компоненту энергетического оборудования.

23. Датчик по п.16, отличающийся тем, что оптоэлектрический преобразователь энергии обеспечивает средство для дистанционной активации одного или более релейных ключей.

24. Датчик по любому из пп.16-23, отличающийся тем, что оптоэлектрический преобразователь энергии обеспечивает средство для осуществления питания усилителя первой ветви.

25. Датчик по любому из пп.16-23, отличающийся тем, что оптоэлектрический преобразователь энергии обеспечивает средство для осуществления питания усилителя второй ветви.