УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗРАСХОДОВАННОГО СРОКА СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G01R27/00 

Предлагаемое изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для измерения израсходованного ресурса электрической изоляции электрооборудования.

Измерить израсходованный срок службы изоляции можно с помощью счетчика времени, считающего время работы электрооборудования [2, рис.8-19, стр238]. Недостатком такого устройства является то, что израсходованный срок службы или израсходованный ресурс службы не всегда совпадает с временем работы электрооборудования.

Как показано в [1], израсходованный ресурс совпадает с временем работы электрооборудования, например трансформатора, только при нормальной скорости теплового старения электрической изоляции. Нормальная относительная скорость теплового старения ν изоляции силовых трансформаторов, равная единице, обеспечивается при температуре наиболее нагретой точки изоляции (ННТ), равной 98°С. При такой скорости теплового старения изоляция сможет работать в течение всего полного срока службы, который принимается равным 30 годам. При повышении температуры относительная скорость теплового старения ν изоляции увеличивается и срок службы уменьшается, а при уменьшении температуры скорость старения уменьшается, а срок службы увеличивается, Зависимость относительной скорости теплового старения ν изоляции от температуры выражается уравнением, предложенным Монтзингером и которое называется правилом Монтзингера [1, 3]

$$\nu =2\frac{Q_h-98}{\Delta T}=2\frac{Q_h-98}{6}.\left(1\right)$$

Здесь Q_h - температура наиболее нагретой точки изоляции в градусах цельсия, ΔT=6°С - превышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Как следует из формулы (1), относительная скорость старения изоляции трансформаторов удваивается при каждом увеличении температуры на 6°С, что показано в приведенной таблице.

Q_h 80 86 92 98 104 110 116 122 128 134 140 ν 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128

При температуре меньшей 80°С тепловое старение изоляции пренебрежительно мало.

Потеря срока службы при любой температуре наиболее нагретой точки в течение часа, дня или месяца выражается количеством отработанных нормальных часов, дней или месяцев, в течение которых температура наиболее нагретой точки равна 98°С.

Например, трансформатор проработал один месяц с температурой ННТ, равной 104°С (превышение составило 104-98=6°С). Относительная скорость теплового старения изоляции ν равна 2. Следовательно, израсходованный срок службы будет равен не одному месяцу, а двум месяцам работы в нормальных условиях. Трансформатор, работающий с превышением температуры ННТ на 6°С в течение одного месяца, израсходовал такой ресурс, который он израсходовал бы за два месяца, если бы работал при нормальной температуре 98°С. Если он постоянно будет работать с такой температурой, то срок его службы будет не 30 лет, а в два раза меньше - 15 лет, так как изоляция будет расходовать ресурс в два раза быстрее.

Потеря (расход) L срока службы в течение некоторого времени t составит L=νt. Относительная скорость теплового старения меняется во времени и потеря срока службы на интервале времени от t1 до t2 определяется по формуле

$$L={\displaystyle {\int }_{t1}^{t2}\nu dt}.\left(2\right)$$

Если разбить интервал времени на N интервалов, в течение которых температура наиболее нагретой точки не меняется, то формула (2) упростится

$$L={\displaystyle \sum _{n=1}^N{\nu }_n{t}_n}.\left(3\right)$$

Таким образом, чтобы измерить израсходованный срок службы электрической изоляции, необходимо в каждый интервал времени знать относительную скорость ее старения и изменять реальное отработанное время в соответствии со скоростью теплового старения изоляции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является цифровое время-импульсное измерительное устройство, [2, рис.8-22, стр. 241], содержащее пересчетное устройство с отсчетным устройством, RS-триггер с устанавливающим и восстанавливающим входами, управляемый ключ, генератор импульсов стабильной частоты, генератор линейно изменяющегося напряжения и нуль-компаратор с двумя входами, в котором вход отсчетного устройства соединен с выходом пересчетного устройства, выход генератора импульсов стабильной частоты соединен через управляемый ключ с входом пересчетного устройства, выход триггера соединен с управляющим входом управляемого ключа и входом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом нуль-компаратора, выход которого соединен с восстанавливающим входом RS-триггера.

Недостаток его заключается в том, что оно позволяет измерять время работы электротехнического устройства, но без учета скорости старения изоляции. По этой причине оно не позволяет объективно судить об израсходованном ресурсе изоляции электрооборудования.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет учета относительной скорости старения электрической изоляции электрооборудования при измерении ее израсходованного срока службы.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровое время-импульсное измерительное устройство, содержащее пересчетное устройство с отсчетным устройством, RS-триггер с устанавливающим и восстанавливающим входами, управляемый ключ, генератор импульсов стабильной частоты, генератор линейно изменяющегося напряжения и нуль-компаратор с двумя входами, в котором вход отсчетного устройства соединен с выходом пересчетного устройства, выход генератора импульсов стабильной частоты соединен через управляемый ключ с входом пересчетного устройства, выход триггера соединен с управляющим входом управляемого ключа и входом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом нуль-компаратора, выход которого соединен с восстанавливающим входом RS-триггера, введены генератор тактовых импульсов, нелинейный преобразователь, сумматор с прямым и инверсным входами, датчик измеряемой температуры и задатчик номинальной температуры, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с устанавливающим входом RS-триггера, выход датчика измеряемой температуры соединен с прямым входом сумматора, выход задатчика номинальной температуры соединен с инверсным входом сумматора, выход которого соединен с входом нелинейного преобразователя, выход которого соединен с вторым входом нуль-компаратора.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рисунке 1. Временная диаграмма сигналов приведена на рисунке 2.

Устройство содержит датчик измеряемой температуры 1, задатчик номинальной температуры 2, сумматор 3, нелинейный преобразователь 4, генератор линейно изменяющегося напряжения 5, нуль-компаратор 6, генератор тактовых импульсов 7, RS-триггер 8, генератор импульсов стабильной частоты 9, управляемый ключ 10, пересчетное устройство 11 и отсчетное устройство 12.

Устройство работает следующим образом. После включения устройства в работу генератор тактовых импульсов 7, синхронизированный с реальным временем, вырабатывает через определенное заданное время, например через каждые 2 минуты (120 секунд на рисунке 2), тактовые импульсы, устанавливающие RS-триггер 8 по входу S в единичное состояние. Триггер 8 включает управляемый ключ 10 и импульсы стабильной частоты от генератора 9 поступают на вход пересчетного устройства до тех пор, пока открыт ключ 10. Одновременно с включением управляемого ключа 10 триггер 8 запускает генератор линейно изменяющегося напряжения 5. Напряжение на выходе этого генератора, изменяющееся по линейному закону, подается на первый вход нуль-компаратора, который сравнивает этот сигнал с сигналом, поступившим от нелинейного преобразователя 4. Напряжение на выходе нелинейного преобразователя формируется по формуле (1) в зависимости от разности температуры наиболее нагретой точки изоляции и заданной температуры (98°С или другое значение в зависимости от класса изоляции). Если разность этих температур равна нулю, то на выходе нелинейного преобразователя сигнал будет равен единице, например, 1 В. Если разность температур равна 6°С, то сигнал на выходе нелинейного преобразователя будет равен 2В и т.д. Нуль-компаратор отслеживает момент времени, когда напряжение с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения станет равным напряжению на выходе нелинейного преобразователя 4. Как только эти напряжения станут равными, единичный сигнал с выхода нуль-компаратора 6 сбрасывает RS-триггер 8 по входу R в исходное состояние. Ключ 10 размыкается и сигналы на пересчетное устройство 11 больше не поступают. В следующем такте процессы повторяются.

На рисунке 2 частота сигналов генератора 9 импульсов стабильной частоты для примера выбрана равной 6 Гц, то есть 6 колебаний в секунду. Напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения 5 изменяется по закону u₅=0,05t. Таким образом, напряжение на выходе генератора 5 будет равно 1 В через 20 с (рис.2). Через 20 секунд с начала такта нуль-компаратор сбросит триггер 8. Следовательно, на пересчетное устройство импульсы от генератора 9 стабильной частоты будут поступать в течение 20 секунд. Общее число поступивших импульсов за 20 секунд будет равно 6·20=120, что соответствует времени, равному 120 с или 2 минуты. Значит, если относительная скорость старения изоляции равна 1 (1В), то израсходованный ресурс будет равен времени работы изоляции. За две минуты работы израсходованный ресурс будет также равен двум минутам. Пересчетное устройство 11 пересчитывает минуты в часы, месяцы и годы. Информация с пересчетного устройства выводится на отсчетное устройство 12.

Если же температура наиболее нагретой точки изоляции повысится, и, например, станет равной 116°С, то относительная скорость старения в соответствии с формулой (1) будет равна 3 и напряжение на выходе нелинейного преобразователя будет равно 3В. В этом случае компаратор будет срабатывать в каждом двухминутном такте уже не через 20, а через 60 секунд (рисунок 2). Ключ 10 будет находиться во включенном состоянии 60 секунд. На вход пересчетного устройства 11 в этом случае поступит 6·60=360 импульсов, что соответствует времени 360 секундам, или 6 минутам. Таким образом, каждые 2 минуты изоляция буде расходовать ресурс, равный 6 минутам, то есть расходование ресурса возрастает в три раза. Возможны и другие значения частот, приведенных в качестве примера.

Технико-экономический эффект от предложенного изобретения определяется повышением эксплуатационной надежности электрооборудования за счет объективной оценки израсходованного срока службы изоляции, что позволяет правильно выбирать сроки ремонта электрооборудования, находящегося в эксплуатации, и своевременно заменять его, в случае если срок службы будет израсходован полностью.

Источники информации

1. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. - М.: Энергоиздат, 2004. - 616 с.

2. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др. / Под ред. Е.М. Душина - 6-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние. 1987. - 480 с.

3. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 280 с.

Изобретение относится к технике электрических измерений и может быть использовано для измерения израсходованного ресурса электрической изоляции электрооборудования. Устройство содержит пересчетное устройство с отсчетным устройством, RS-триггер с устанавливающим и восстанавливающим входами, управляемый ключ, генератор импульсов стабильной частоты, генератор линейно изменяющегося напряжения и нуль-компаратор с двумя входами. Вход отсчетного устройства соединен с выходом пересчетного устройства. Выход генератора импульсов стабильной частоты соединен через управляемый ключ с входом пересчетного устройства. Выход триггера соединен с управляющим входом управляемого ключа и входом генератора линейно изменяющегося напряжения. Выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом нуль-компаратора, выход которого соединен с восстанавливающим входом RS-триггера. Также в устройство введены генератор тактовых импульсов, нелинейный преобразователь, сумматор с прямым и инверсным входами, датчик измеряемой температуры и задатчик номинальной температуры. Причем выход генератора тактовых импульсов соединен с устанавливающим входом RS-триггера. Выход датчика измеряемой температуры соединен с прямым входом сумматора. Выход задатчика номинальной температуры соединен с инверсным входом сумматора, выход которого соединен с входом нелинейного преобразователя, выход которого соединен со вторым входом нуль-компаратора. Технический результат заключается в возможности учета относительной скорости старения электрической изоляции электрооборудования. 2 ил., 1 табл.

Устройство для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции, содержащее пересчетное устройство с отсчетным устройством, RS-триггер с устанавливающим и восстанавливающим входами, управляемый ключ, генератор импульсов стабильной частоты, генератор линейно изменяющегося напряжения и нуль-компаратор с двумя входами, в котором вход отсчетного устройства соединен с выходом пересчетного устройства, выход генератора импульсов стабильной частоты соединен через управляемый ключ с входом пересчетного устройства, выход триггера соединен с управляющим входом управляемого ключа и входом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым входом нуль-компаратора, выход которого соединен с восстанавливающим входом RS-триггера, отличающееся тем, что в него введены генератор тактовых импульсов, нелинейный преобразователь, сумматор с прямым и инверсным входами, датчик измеряемой температуры и задатчик номинальной температуры, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с устанавливающим входом RS-триггера, выход датчика измеряемой температуры соединен с прямым входом сумматора, выход задатчика номинальной температуры соединен с инверсным входом сумматора, выход которого соединен с входом нелинейного преобразователя, выход которого соединен с вторым входом нуль-компаратора.