СПОСОБ МОНИТОРИНГА РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике.

В противоаварийной автоматике широкое применение получило электромеханическое устройство, реализующее способ мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока, основанный на измерении действующего значения напряжения [1] и определяющий ресурс изоляции как допустимое время воздействия на изоляцию измеренного напряжения. В качестве пускового органа устройства используется максимальное реле напряжения типа РН-58. Из-за того что реле РН-58 имеет низкий коэффициент возврата, устройство имеет низкую чувствительность.

Известно также микроэлектронное устройство, реализующее способ мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока [2], согласно которому определяют действующее значение напряжения путем измерения средневыпрямленного значения и определяют ресурс изоляции тоже как допустимое время воздействия на изоляцию данного уровня напряжения. Поскольку средневыпрямленное значение пропорционально действующему значению только при синусоидальной форме напряжения, то при искажении формы его кривой, например при появлении в напряжении гармоник, оценка действующего значения будет иметь значительную погрешность. Это снижает точность мониторинга ресурса изоляции.

Наиболее близким к изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является способ, реализованный в микропроцессорном устройстве мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока [3]. В этом способе, взятом за прототип, ресурс изоляции определяется как допустимое время воздействия напряжения с данным действующим значением на изоляцию оборудования согласно вольт-секундной характеристике оборудования [4]. Для определения действующего значения в прототипе измеряют электрическое напряжение в равномерно фиксированные моменты времени, преобразуют измерения в отсчеты промежуточного сигнала путем возведения их в квадрат, определяют усредненную сумму отсчетов промежуточного сигнала на числе измерений за период электрического напряжения и извлекают квадратный корень из усредненной суммы. При этом число измерений электрического напряжения за период имеет фиксированное значение и задается для напряжения номинальной частоты. Поэтому при отклонении частоты сети от номинального значения в оценке действующего значения появляется смещение, вызванное недостаточным подавлением оператором усреднения переменной составляющей в промежуточном сигнале, включающей в себя составляющие суммарных частот, появляющиеся из-за гармоник во входном сигнале при возведении его отсчетов в квадрат. Это снижает точность определения ресурса изоляции.

Цель изобретения заключается в повышении точности способа мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока за счет уменьшения погрешности измерения действующего значения напряжения, особенно при искажении формы кривой и отклонении частоты сети от номинальной, за счет дополнительного подавления переменной составляющей в промежуточном сигнале.

Поставленная цель достигается тем, что в способе мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока, согласно которому измеряют электрическое напряжение в равномерно фиксированные моменты времени, преобразуют измерения в отсчеты промежуточного сигнала путем возведения их в квадрат, определяют усредненную сумму отсчетов промежуточного сигнала на числе измерений за период электрического напряжения и определяют действующее значение напряжения посредством извлечения квадратного корня из усредненной суммы и оценивают остаточный ресурс изоляции путем вычитания из него части ресурса, определяемой на каждом полупериоде кривой напряжения как отношение продолжительности полупериода напряжения к величине допустимого времени нахождения изоляции оборудования под напряжением с данным действующим значением, предлагается подвергнуть промежуточный сигнал дополнительному усреднению путем взвешивания с коэффициентом 1/4 суммы его текущего и предыдущих трех отсчетов, сдвинутых относительно текущего отсчета на фиксированные моменты времени, равные 1/6, 1/2, и 2/3 или 1/4, 1/2, и 4/5 от числа отсчетов на периоде измеряемого напряжения номинальной частоты, если упомянутое число отсчетов делится нацело на 6 или 20 соответственно.

На фигуре 1 показаны амплитудно-частотные характеристики операторов усреднения прототипа и предлагаемого способа (при частоте дискретизации f_s=1200 Гц основной гармонике соответствует

нормированная частота $$\omega T_s=\frac{\pi }{12}$$ ).

Способ преобразует входное напряжение в дискретный сигнал, измеряя напряжение в равномерно фиксированные моменты времени kT_s, где k - номер дискреты, T_s - период дискретизации, и формирует отсчеты промежуточного сигнала путем возведения измеренных значений в квадрат. Например, для измерений напряжения

u(k)=А₁sin(kT_sω₁)+А₂sin(kT_s2ω₁)

промежуточный сигнал u_t(k) будет следующим:

$$u_t\left(k\right)=u^2\left(k\right)=A_1^2{\sin }^2\left(k{T}_s{\omega }_1\right)+A_2^2{\sin }^2\left(k{T}_{s}2{\omega }_1\right)+2A_1{A}_1\sin \left(k{T}_s{\omega }_1\right)\sin \left(k{T}_{s}2{\omega }_1\right).\left(1\right)$$

Используя известные тригонометрические тождества, несложно показать, что промежуточный сигнал (1)

$$u_t\left(k\right)=U^2+u_a\left(k\right)\left(2\right)$$

будет включать в себя постоянную составляющую, равную квадрату действующего значения напряжения

$$U^2={\left(\frac{A_1}{\sqrt{2}}\right)}^2+{\left(\frac{A_2}{\sqrt{2}}\right)}^2$$ ,

и переменную составляющую

$$u_a\left(k\right)=-\frac{1}{2}{A}_1^2\cos \left(k{T}_{s}2{\omega }_1\right)-\frac{1}{2}{A}_2^2\cos \left(k{T}_{s}4{\omega }_1\right)+A_1{A}_2\left[\cos \left(k{T}_s{\omega }_1\right)-\cos (k{T}_{s}3{\omega }_1)\right]\left(3\right)$$

подлежащую удалению. В прототипе это достигается усреднением промежуточного сигнала u_t(k) на периоде основной гармоники измеряемого напряжения:

$${\stackrel{⌢}{U}}^2=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{m=k-N+1}^k{u}_t\left(m\right)}.\left(4\right)$$

Число отсчетов N выбирается таким образом, чтобы произведение NT_s было равно периоду $$T=\frac{2\pi }{{\omega }_{1n}}$$ напряжения при номинальной частоте сети, т.е. чтобы $$N=2\pi /\left({\omega }_{1n}{T}_s\right)$$ . Тогда при ω₁=ω_1n слагаемые (3) будут подавлены оператором усреднения (4) полностью. Это следует непосредственно из АЧХ прототипа (фиг.1, кривая 1), согласно которой коэффициенты усиления составляющих с нормированными частотами ω_1nT_s=0.262, 2ω_1nT_s=0.524, 3ω_1nT_s=0.785 и 4ω_1nT_s=1.047 равны нулю. Однако отклонение частоты сети от номинального значения ω_1n, например, после ликвидации асинхронного режима значительно ухудшает подавляющие свойства оператора усреднения (4) на указанных частотах, в связи с чем в оценке действующего значения появляется смещение. В силу особенностей АЧХ оператора (4) наибольшая погрешность возникает при снижении частоты. Например, в случае снижения частоты сети до 45 Гц (из-за асинхронного режима дефицитной части электрической системы [5]) и одновременного возникновения параметрического резонанса на второй гармонике [6], погрешность определения прототипом действующего значения напряжения при A₁=A₂ достигает 11%. Из-за этого прототип имеет недопустимо большую погрешность в оценке ресурса изоляции в этих режимах электрической сети.

В предлагаемом способе отрицательное влияние отклонения частоты на подавление слагаемых переменной составляющей (3) исключается путем дополнительного усреднения промежуточного сигнала (2) путем взвешивания с коэффициентом 1/4 суммы его текущего и предыдущих трех отсчетов, сдвинутых относительно текущего отсчета на фиксированные моменты времени, равные 1/6, 1/2, и 2/3 или 1/4, 1/2, и 4/5 от числа отсчетов на периоде измеряемого напряжения номинальной частоты, если упомянутое число отсчетов делится нацело на 6 или 20 соответственно. То есть оператор дополнительного усреднения u_s(k) будет равен

$$u_S\left(k\right)=\frac{1}{4}\left[u_t\left(k\right)+u_t\left(k-\frac{N}{6}\right)+u_t\left(k-\frac{N}{2}\right)+u_t\left(k-\frac{2N}{3}\right)\right]$$ ,

если число отсчетов N на периоде делится нацело на 6, или

$$u_S\left(k\right)=\frac{1}{4}\left[u_t\left(k\right)+u_t\left(k-\frac{N}{4}\right)+u_t\left(k-\frac{N}{2}\right)+u_t\left(k-\frac{4N}{5}\right)\right]$$ ,

если N делится нацело на 20.

Квадрат действующего значения определяется аналогично (4), но усреднение производится уже для сигнала u_s(k) после дополнительного усреднения u_t(k):

$${\stackrel{⌢}{U}}^2=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{m=k-N+1}^k{u}_s\left(m\right)}$$ .

Дополнительное усреднение усиливает подавление составляющих (3), и, как видно, из АЧХ (фиг.1, кривая 2), на первой и третьей гармониках характеристика имеет седловидный характер. Такое свойство АЧХ предлагаемого способа особенно важно при определении действующего значения напряжения в режиме параметрического резонанса и при отклонении частоты сети от номинального значения, когда, как это видно из (3), амплитуды первой и третьей гармоник имеют в промежуточном сигнале преобладающий характер. Сравнение подавляющих свойств АЧХ прототипа и предлагаемого способа при определении действующего значения напряжения в режиме параметрического резонанса на второй гармонике (частота сети 45 Гц) показывает, что новый способ имеет лучшие подавляющие свойства (табл.1), а значит, и более высокую точность.

Для работы способа не важно, богат ли сигнал высшими гармониками или содержит лишь составляющую основной гармоники. Предпринимаемые способом действия будут инвариантны на множестве предусмотренных в нем операций.

Таблица 1 № гармоники Частота составляющей, Гц Коэффициент усиления АЧХ прототипа, h_п Коэффициент усиления АЧХ предлагаемого способа, h_c h_п/h_c 1 45 0.1096 0.0153 7.16 2 90 0.1049 0.0587 1.79 3 135 0.0974 0.0069 14.12 4 180 0.087 0.022 3.96

Остаточный ресурс изоляции r_m на данном полупериоде напряжения определяется путем вычитания из остаточного ресурса предыдущего полупериода r_m-1 части ресурса Δr_m

r_m=r_m-1-Δr_m

Часть ресурса Δr_m, которую теряет изоляция после воздействия напряжения данного полупериода, находится как отношение продолжительности полупериода напряжения Т_п=0.01 с к величине допустимого времени T_доп,m нахождения изоляции оборудования под напряжением с действующим значением U_m m-го полупериода, т.е.

$$\Delta r_m=\frac{T_{п}}{{Т}_{доп,m}}$$ .

Величина допустимого времени T_{доп, m} определяется по ВСХ (таблицы Б.1 й Б.2 [4]). Например, при повышении действующего значения напряжения на силовых трансформаторах с номинальным напряжением 500 кВ до значения U=603,75 кВ (115% от наибольшего рабочего напряжения 525 кВ) из ВСХ следует, что T_{доп, m}=5 мин.

Величина допустимого времени T_{доп, m} при напряжении, действующее значение которого находится между двумя табличными значениями, определяется путем интерполирования.

Мониторинг ресурса позволяет принять своевременные меры, направленные на ограничение, снижение напряжения или отключение высоковольтного оборудования при перенапряжениях.

Таким образом, предлагаемый способ мониторинга остаточного ресурса изоляции повышает точность измерения действующего значения напряжения при отклонении частоты от номинального значения и при наличии в напряжении высших гармоник, а значит, повышает точность мониторинга ресурса изоляции.

Литература

1. Беркович М.А., Комаров А.Н., Семенов В.А. Основы автоматики энергосистем. - М: Энергоиздат. 1981 (стр.421).

2. Розенблюм Ф.М., Салова В.Г., Брухис Г.Л., Гладышев В.А., Глускин И.З. Устройство автоматического ограничения повышения напряжения на базе шкафа автоматики ШП 2704 // Электрические станции. №4. 1989 (стр.61-62).

3. Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем. Учебное пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ. 2008 (стр.256).

4. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. 1998 (таблицы Б.1, Б.2).

5. Гоник Я.Е., Иглицкий Е.С. Автоматика ликвидации асинхронного режима. - М: Энергоатомиздат. 1988 (стр.71).

6. Левиуш А.И., Катунян В.И. Исследование на математической модели параметрического резонанса на второй гармонике для анализа работы релейной защиты ВЛ // Электричество. №1. 1990. (стр.57-62).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике. Технический результат заключается в повышении точности определения остаточного ресурса изоляции и, следовательно, в обеспечении своевременного принятия мер для сохранения работоспособности защищаемого высоковольтного оборудования при перенапряжениях путем ограничения или снижения напряжения или отключения высоковольтного оборудования. Способ оценивает остаточный ресурс изоляции путем вычитания из него части ресурса, определяемой на каждом полупериоде напряжения как отношение продолжительности полупериода к величине допустимого времени нахождения изоляции под напряжением с данным действующим значением. Начальный ресурс изоляции принимается равным 1. Новым в способе являются операции, позволяющие повысить точность определения действующего значения напряжения (в общем случае несинусоидального) по измерениям напряжения в равномерные моменты времени. С указанной целью измерения напряжения преобразуют в отсчеты промежуточного сигнала путем возведения их в квадрат, подвергают промежуточный сигнал дополнительному усреднению, взвешивая с коэффициентом 1/4 сумму его текущего и предыдущих трех отсчетов, сдвинутых относительно текущего отсчета на фиксированные моменты времени, равные 1/6, 1/2, и 2/3 или 1/4, 1/2, и 4/5 от числа отсчетов на периоде измеряемого напряжения номинальной частоты, если упомянутое число отсчетов делится нацело на 6 или 20 соответственно. Действующее значение напряжения определяется путем извлечения квадратного корня из усредненной суммы отсчетов промежуточного сигнала на числе измерений за период электрического напряжения. 1 ил., 1 табл.

Способ мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока, согласно которому измеряют электрическое напряжение в равномерно фиксированные моменты времени, преобразуют измерения в отсчеты промежуточного сигнала путем возведения их в квадрат, определяют усредненную сумму отсчетов промежуточного сигнала на числе измерений за период электрического напряжения и определяют действующее значение напряжения, извлекая квадратный корень из усредненной суммы, и оценивают остаточный ресурс изоляции путем вычитания из него части ресурса, определяемой на каждом полупериоде кривой напряжения как отношение продолжительности полупериода напряжения к величине допустимого времени нахождения изоляции оборудования под напряжением с данным действующим значением, отличающийся тем, что промежуточный сигнал подвергается дополнительному усреднению путем взвешивания с коэффициентом 1/4 суммы его текущего и предыдущих трех отсчетов, сдвинутых относительно текущего отсчета на фиксированные моменты времени, равные 1/6, 1/2, и 2/3 или 1/4, 1/2, и 4/5 от числа отсчетов на периоде измеряемого напряжения номинальной частоты, если упомянутое число отсчетов делится нацело на 6 или 20 соответственно.