СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ СВЯЗИ ПОД РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК G01R27/26 G01R17/02 G01R31/08 

Заявляемое изобретение относится к области электроэнергетики, а именно, к вопросам диагностики и мониторинга электрооборудования, позволяющим контролировать техническое состояние конденсаторов связи класса напряжения 110-500кВ.

Конденсаторы связи и отбора мощности применяются на подстанциях в измерительных устройствах, в специальных устройствах отбора мощности от линий электропередач, а также для образования высокочастотных (ВЧ) каналов защит, телемеханики и телефонной связи по схеме провод линии электропередач - земля.

В основу использования линий высокого напряжения для одновременной передачи электрической энергии и ВЧ сигналов положено свойство конденсаторов изменять сопротивление в зависимости от частоты проходящего через них тока. Таким образом, конденсатор запирает токи низких частот, но не препятствует прохождению токов высоких частот, т.е. назначение их состоит в том, чтобы предотвращать уход токов высокой частоты в землю, минуя аппаратуру поста ВЧ.

В настоящее время в эксплуатации используется большое количество конденсаторов связи, являющихся одними из ответственных элементом энергосистемы, от надежности работы которых зависит надежность работы сетей.

1. Надежность конденсатора - это его свойство выполнять заданные функции в заданных условиях эксплуатации в течение требуемого промежутка времени, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах. Силовые конденсаторы относятся к неремонтируемым изделиям. Прекращение конденсатором выполнения своих функций вследствие возникновения в нем дефектов (пробой и т.д.) или изменение его параметров сверх допустимых значений, при котором происходит нарушение нормальной работы устройства, в котором он установлен, называется его отказом [Кучинский Г.С., Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 320 с.].

За последние годы эксплуатации участились случаи разрушения конденсаторов, вызванные внутренними дефектами, что приводит к серьезным последствиям, таким как: отключение потребителей; повреждение оборудования; и представляют угрозу персоналу при выполнении работ на территории подстанции.

Суть данного способа заключается в определении значения емкости конденсатора связи перед вводом в работу, измерении значения емкостного тока, протекающего через конденсатор связи под рабочим напряжением, и рабочего напряжения сети в режиме реального времени, расчет величины емкости конденсатора связи по измеренным значениям тока и напряжения, сравнение полученной величины емкости со значением емкости конденсатора связи определенным перед вводом в работу, осуществление диагностики и мониторинга технического состояния объекта, при этом значение емкости рассчитывают и сравнивают постоянно в режиме реального времени так, что в процессе измерения высокочастотный канал связи находится в работе.

Процесс полностью автоматизирован, в случае же отсутствия на подстанции каналов связи, диагностика конденсатора связи может выполняться «вручную» с заданной на предприятии периодичностью.

При автоматизированном процессе диагностики и мониторинга конденсаторов связи информация о их техническом состоянии передается на верхний уровень (оператору сети) в режиме реального времени. Также существует возможность хранения, передачи информации о параметрах технических характеристик состояния конденсатора связи.

Данный способ позволяет оператору сети получать достоверную информацию о возникновении дефектов в конденсаторе на начальной стадии развития в режиме реального времени, и о текущем его состоянии. Это позволит избежать аварийных ситуаций в энергосистеме, в том числе и на объектах, удаленных на значительное расстояние.

Для конденсаторов связи контролируемыми параметрами, характеризующие их техническое состояние, в соответствии с нормативно техническими документами, являются емкость конденсатора и тангенс угла диэлектрических потерь (далее - tgδ).

Действующее РД 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования» регламентирует:

- «Емкость измеряется каждого отдельно стоящего конденсатора с выводом его из работы или под рабочим напряжением (путем измерения емкостного тока или распределения напряжения на последовательно соединенных конденсаторах)».

- «При контроле конденсаторов под рабочим напряжением оценка их состояния производится сравнением измеренных значений емкостного тока или напряжения конденсатора с исходными данными или значениями, полученными для конденсаторов других фаз (присоединений)».

На данный момент основным методом контроля состояния является измерение емкости и tgδ (для измерения которых необходим вывод оборудования из работы), или измерения емкостного тока под рабочим напряжением.

Измерение емкостного тока и сравнение его значений с исходными данными могут быть недостаточно информативными для оценки технического состояния конденсатора. Так как значение тока, протекающего через конденсатор, зависит от уровня напряжения приложенного к конденсатору, которое может изменяться в зависимости от режима работы сети.

Сравнение же измеренных значений тока с значениями, полученными для конденсаторов других фаз (присоединений), также может быть недостаточно информативным для оценки его состояния, так как:

1) Не указаны возможно допустимые отличия измеренных токов сравниваемых конденсаторов других фаз (присоединений);

2) Конденсаторы имеют различные значения заводской емкости, что влияет на значение токов, протекающих в их;

3) При наличии дефекта в нескольких конденсаторах, отсутствует возможность объективной оценки состояния;

4) Отсутствует возможность сравнения при установке одного конденсатора на подстанции.

Предлагаемый способ позволяет:

1. Постоянно контролировать техническое состояние конденсаторов в режиме реального времени и выявлять дефекты на начальной стадии их развития;

2. Исключить зависимость контролируемых параметров (изменение емкости) от приложенного напряжения к конденсатору;

3. Своевременно принять меры для исключения аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при повреждении конденсатора;

4. Исключить потенциальную опасность для обслуживающего персонала, вследствие разрушения конденсатора;

5. Исключить необходимость вывода оборудования для проведения диагностики.

Рассмотрим более подробно способ выполнения диагностики и мониторинга конденсаторов связи под рабочим напряжением.

Для измерения значения тока, протекающего через конденсатор, находящегося под рабочим напряжением, предлагается использовать, в качестве одного из элементов системы диагностики и мониторинга шкаф отбора напряжения типа ШОН (серийного производства) (Фигура - 2), который предназначен для применения в схемах отбора напряжения и синхронизации от конденсатора связи.

Измерение величины тока производится на не используемых клеммах вторичной обмотки, одного из двух штатно установленных трансформаторов тока типа ТОН. Первичный ток, протекающий через конденсатор определяется приложенным напряжением, числом и емкостью элементов. Величина тока в первичной обмотке ТОН равна произведению значений величины измеренного тока во вторичной обмотке и рабочего коэффициента трансформации, который определяется перед вводом в работу ШОН (в соответствии с требованием технической документации на ШОН).

Через контрольный кабель, присоединенный к клеммам вторичной обмотки ТОН, подключается многофункциональный измерительный преобразователь параметров электрической сети, смонтированный в электротехническом шкафу.

В этот же шкаф предлагается установить устройство сбора и передачи информации - коммуникационный контроллер, подключенный к цифровому выходу многофункционального измерительного преобразователя (Фигура - 3).

Следует отметить, что используемые устройства (многофункциональный измерительный преобразователь и коммуникационный контроллер) заводского изготовления, без внесения нами каких-либо конструктивных изменений.

Электротехнический шкаф, предпочтительно, монтируется в закрытом распределительном устройстве (ОПУ, ЗРУ), для поддержания требуемых температурных режимов.

Напряжение со вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения подается через контрольные кабели на соответствующие клеммы многофункционального измерительного преобразователя.

Измеренные значения величины тока и напряжения отображаются на встроенном/выносном дисплее многофункционального измерительного преобразователя, с учетом введенных коэффициентов трансформации. Указанная информация из многофункционального измерительного преобразователя через цифровой порт по стандартным протоколам передачи данных передается через коммуникационный контроллер по организованным каналам связи на верхний уровень (сервер оператора сети). На сервере установленным специализированным программным обеспечением производится получение, обработка и выдача информации в клиентской части программного технического комплекса.

В обработку данных входит:

- Расчет емкости конденсатора по измеренным значениям тока и напряжения в режиме реального времени, по формуле:

где U_л - междуфазное (линейное) напряжение сети, кВ;

ω - угловая частота;

С_кс - емкость конденсатора связи, пФ.

- Сравнение расчетной величины емкости в режиме реального времени со значением емкости конденсатора связи, определенным перед вводом в работу. При отклонении значения емкости более чем на 2% (задается предприятием в зависимости от типа используемого конденсатора) у оператора сети на рабочем столе появляется сигнал о неисправности конденсатора на конкретном объекте с указанием присоединения и фазы.

В случае отсутствия каналов связи на объекте (подстанции) возможна диагностика конденсатора с использованием измеренных данных тока и напряжения, отображенных на дисплее многофункционального измерительного преобразователя, для дальнейшего «ручного» перерасчета параметров емкости (Фигура - 4).

При отсутствии измерительного трансформатора напряжения класса напряжения, прикладываемого к конденсатору связи, возможно применение измерительного трансформатора напряжения низшего класса напряжения, при последующем расчете значении величины напряжения с учетом коэффициента трансформации силового трансформатора.

Рассмотрим один из конкретных примеров применения рассматриваемого способа на практическом применении, в лабораторных условиях. Объектом измерений выбран конденсатор связи класс напряжения 110 кВ.

Разработчиком использовалось оборудование, приборы, устройства, программное обеспечение:

- Конденсатор связи типа СМП-110/1,732-6,4 У1, производитель ТОО «Усть-Каменогорский конденсаторный завод», 1980 года выпуска (Фигура - 1);

- Шкаф отбора напряжения типа ШОН-301С (производитель «РОСЭНЕРГОСЕРВИС», Россия, г. Ростов-на-Дону, паспорт, ТУ 3433-005-46569277-2002, Фигура - 2);

- Трансформатор тока типа ТОН-301С (входит в комплект поставки ШОН-301С);

- Многофункциональный измерительный преобразователь параметров электрической сети типа SATEC РМ 130Р PLUS, Израиль;

- Устройство сбора и передачи информации - коммуникационный контроллер типа Синком IP/DIN, ООО «НТК Интерфейс», г. Екатеринбург;

- Передвижная лаборатория высоковольтных испытаний типа HVT-3AVG на базе автомобиля КАМАЗ-43118, производства ООО «Ярославский электромеханический завод», 2015 года изготовления (Свидетельство о регистрации электролаборатории №58 ЭТЛ 060, выдано: Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору Северо-Уральского управления, срок действия: «05» ноября 2018);

- Испытательный трансформатор типа ТИМ-100/20 кВА, производства ООО «Ярославский электромеханический завод»;

- Персональный компьютер (далее - сервер);

- Программное обеспечение программного технического комплекса «ОИК Диспетчер», состоящие из двух частей: серверной и клиентской, ООО «НТК Интерфейс», г. Екатеринбург.

1. этап. Предварительные работы.

Перед началом применения методики диагностики и мониторинга, на рассматриваемом конденсаторе связи была измерена емкость конденсатора С_х (Таблица - 1, п. 1), регламентированная нормами [Алексеев Б.А., Коган Ф.Л., Мамиконянец Л.Г. «Объем и нормы испытаний электрооборудования». - М.: ЭНАС, 2008. - 256 с.]. Измерения проводились мостом переменного тока типа СА-7100 по нормальной схеме измерения от постороннего источника при напряжении 10 кВ в соответствии с действующими нормативными документами.

2. этап. Сборка измерительной схемы для применения рассматриваемого способа, описание работы программного обеспечения.

2.1. Собран электротехнический шкаф (далее - ШЭ) в комплектацию которого вошел:

- Многофункциональный измерительный преобразователь параметров электрической сети типа SATEC РМ 130Р PLUS (далее - преобразователь);

- Устройство сбора и передачи информации - коммуникационный контроллер типа Синком IP/DIN (далее - контроллер);

- Комплект соединительных проводов;

- Клеммная колодка.

2.2. Установлен шкаф отбора напряжения типа ШОН-301С со встроенными двумя трансформаторами тока типа ТОН-301С.

2.3. Установлена лаборатория высоковольтный испытаний, с применяемым испытательным трансформатором типа ТИМ-100/20 кВА (далее - ИТ).

2.4. Высоковольтный провод подсоединенот ИТ к верхнему фланцу конденсатора связи, установленного на изолированной подставке. С нижней обкладки конденсатора экранированным проводом произведено подключение к ШОН-301С через изолятор.

2.5. Контрольным кабелем произведено подключение квторичной обмотки второго (резервного) трансформатора тока ТОН-301С (клеммы 7:10) и к преобразователю.

2.6. Контрольным кабелем произведено подключение к вторичной обмотки ИТ и к соответствующим клеммам преобразователя.

2.7. От преобразователя через цифровой порт по стандартным протоколам передачи данных передается информация через коммуникационный контроллер по организованным каналам связи на персональный компьютер.

2.8. Описание работы программного обеспечения.

а) Для организации приема передачи данных используется контроллер. Опрос преобразователя организован по интерфейсу RS-485 в протоколе Modbus. Конфигурация коммуникационного контроллера приведена на Фигуре - 5. Основные параметры настройки:

- Скорость обмена - 9600 бит/с;

- Режим передачи - 8 бит;

- Контроль четности - Четный;

- Обмен между КП на верхний уровень (сервер) организован в протоколе UDP.

б) Для опроса, обработки и хранения данных на верхнем уровне (сервере) установлено специализированное программное обеспечение ПТК «ОИК Диспетчер», состоящие из двух частей: серверной и клиентской.

- Настройка серверной части.

При настройке телемеханического сервера формируется дерево объекта (структура), с описанием сигналов телеметрии. На Фигуре - 6 показана структура опроса от КП до телепараметров. Выполнется конфигурирование парметров связи Фигура - 7. Далее формируется описательная часть структуры Фигура - 8.

В соответствии с адресацией регистров МИП, производится описание телеизмерений. Также по каждому телеизмерению указывается масштабный множитель в зависимости от коэффициента трансформации. Для обработки и анализа данных добавлены виртуальные телепараметры с ТИТ (7-10), с указанием необходимых расчетов в строке «Выражение». Фигуры - 9. Также настроена возможность запросов срезов телеизмерений за определенный период и периодом усреднения.

- Настройка клиентской части.

Для отображения получаемых данных устанавливается клиентская часть ОИК «Диспетчер». В клиенте ОИК «Диспетчер» настраивается визуализация телепараметров в необходимом объеме, а также с сигнализацией неисправностей Фигура - 10.

3. этап. Проведение измерений по способу.

3.1. От ИТ подается переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц равное 60/65 кВ (фазное напряжение, рабочее напряжение сети 110 кВ).

3.2. Производится измерение тока проводимости, проходящий через конденсатор связи во вторичной обмотке ТОН-301С и напряжение во вторичной обмотке ИТ (Таблица - 1, п. 2, 3).

3.3. На дисплее преобразователя мы наблюдаем измеренные значения тока и напряжения (с учетом введенных коэффициентов трансформации).

3.4. Далее полученные данные из преобразователя передаются через цифровой порт по стандартным протоколам через контроллер на сервер, где программным обеспечением производится обработка и выдача информации:

- Расчет емкости конденсатора по измеренным значениям тока и напряжения(Формула - 1);

- Сравнение расчетной величины емкости, значениями емкости, измеренной по нормальной схеме измерения.

4. этап. Разборка конденсатора связи, с целью изменения емкости, путем выкорачивания нескольких элементарных конденсаторов (далее - секций), для создания модели с развивающимся внутренним дефектом.

Конденсатор связи состоит из четырех пакетов, с последовательным соединением секций поочередно уложенных друг на друга. Пакет включает в себя плоскопрессованные секции, пропитанных минеральным конденсаторным маслом [Гулевич А.И., Киреев А.П. «Производство силовых конденсаторов». -М.: ЭНАС, 2008. - 256 с.].

Разработчиками был вскрыт конденсатор связи, путем снятия фарфоровой покрышки, и закорочены две секции (с целью имитации развивающегося дефекта). После чего конденсатор опять собрали, залили минеральным конденсаторным маслом, характеристики которого соответствуют нормативным требованиям [ГОСТ 5775-85. «Масло конденсаторное». - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. - 4 с.].

5. этап. Проведение измерений после вскрытия и сборки конденсатора.

5.1. От ИТ подается переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц равное 60/65кВ (фазное напряжение, рабочее напряжение сети 110кВ).

5.2. Производится измерение тока проводимости, проходящий через конденсатор связи во вторичной обмотке ТОН-301С и напряжение во вторичной обмотке ИТ (Таблица - 1, п. 3,4).

5.3. На дисплее преобразователя мы наблюдаем измеренные значения тока и напряжения (с учетом введенных коэффициентов трансформации).

5.4. Далее полученные данные из преобразователя передаются через цифровой порт по стандартным протоколам через контроллер на сервер, где программным обеспечением производится обработка и выдача информации:

- Расчет емкости конденсатора по измеренным значениям тока и напряжения (Формула - 1);

- Сравнение расчетной величины емкости, значениями емкости, измеренной по нормальной схеме измерения.

6. Из проделанной работы, при использовании способа диагностики и мониторинга технического состояния конденсатора связи под рабочим напряжением, четко видно, что ток протекающий через конденсатор и приложенное к нему напряжение меняются линейно, в зависимости от изменения режима работы сети, однако расчетное значение емкости, основного критерия конденсатора связи, практически не изменяется.

Разработанный способ диагностики и мониторинга технического состояния конденсаторов связи под рабочим напряжением позволяет:

1) Производить постоянный контроль и мониторинг технического состояния конденсатора связи у оператора сети в режиме реального времени без задействования оперативного или ремонтного персонала;

2) Оперативно выявлять какие-либо отклонения (дефекты) в конденсаторе, соответственно и принимать необходимые решения, что влияет на надежность работы энергосистемы;

3) Исключает опасность обслуживающего персонала вследствие разрушения конденсатора;

4) Исключает зависимость контролируемого параметра (изменения емкости) от приложенного напряжения к конденсатору;

5) Исключает необходимость проводить сравнение измеренных значений протекающего тока через конденсатор со значениями, полученными для конденсаторов других фаз (присоединений);

6) Исключает необходимость вывода оборудования для проведения диагностики.

Таким образом, заявленный способ позволяет оператору энергосистемы (сети) получать достоверную информацию в режиме реального времени о техническом состоянии конденсатора связи, являющимся одним из ответственных элементом энергосистемы, от надежности работы которого, зависит надежность работы сетей на всех контролируемых объектах, где они установлены. А также избежать, либо вовремя предотвратить аварийные ситуации (несчастные случаи), которые могут возникнуть в результате выхода из строя конденсатора связи.

Краткое описание чертежей

На Фигуре - 1 представлена схема подключения шкафа отбора напряжения к конденсатору связи.

На фигуре - 2 представлена схема принципиальная шкафа отбора напряжения.

На Фигуре - 3 представлена схема шкафа электротехнического диагностики состояния конденсатора связи.

На Фигуре - 4 представлена схема подключения многофункционального измерительного преобразователя.

На Фигуре - 5 представлена конфигурация коммуникационного контроллера.

На Фигуре - 6 представлена структура опроса от КП до телепараметров.

На Фигуре - 7 представлена структура конфигурирования парметров связи.

На Фигуре - 8 представлена структура описательная части.

На Фигуре - 9 представлена структура описания телеизмерений.

На Фигуре - 10 представлена структура клиентской части.

Осуществление изобретения

Фигура - 1.

Подключение шкафа отбора напряжени (1) и заземляющего ножа (2) к нижней обкладке конденсатора связи (3) выполнено последовательно.

Фигура - 2.

Шкаф отбора напряжения включает в себя испытательный трансформатор напряжением 110кВ и мощностью 20кВА (5), конденсатор связи (6), проходной изолятор (7), конденсатор 30 пФ (8), дроссель 110мГн (9), газразрядник (10), заземляющий нож (11), трансформаторы тока (12), фильтр присоединения (13). От испытательного трансформатора (5) на конденсатор связи (6), подается переменное фазное напряжение промышленной частоты 50 Гц равное 60/65кВ, после чего производится измерение тока проводимости (I), проходящий через конденсатор связи (6) во вторичной обмотке (I₂) трансформатора тока (8) и напряжение (U) во вторичной обмотке испытательного трансформатора (5).

Фигура - 3.

Шкаф электротехнический включает в себя контроллер коммуникационный

Синком-IP(DIN) (14), блока питания ~220В/=24В DRAN30-24 (15), многофункциональный измерительный преобразователь SATEC PM130Plus (16), измерительные клеммы токовых цепей (17), измерительные клеммы цепей напряжения (18), порт интерфейса RS-485 (19), проходные клеммы электропитания (20). Для организации приема-передачи данных используется контроллер коммуникационный (14), электропитание которого осуществляется от блока питания (15) ~220В/=24В (U/U₁). Цепи тока и напряжения многофункционального измерительного преобразователя подключены через измерительные клеммы (17, 18). Электропитания ~220 В (U) шкафа электротехнического подключено через проходные клеммы (20).

Фигура - 4.

Опрос многофункционального измерительного преобразователя (16) организован по интерфейсу RS-485 (19) через программное обеспечение в протоколе Modbus.

Фигуры 5-9.

Показаны последовательно настройки программно-технического комплекса. Фигура - 10.

Показана мнемосхема диагностики состояния конденсатора связи выведенная на компьютер оператора сети.

Заявляемое изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к вопросам диагностики и мониторинга электрооборудования, позволяющим контролировать техническое состояние конденсаторов связи класса напряжения 110-500 кВ. Способ диагностики и мониторинга технического состояния конденсаторов связи под рабочим напряжением включает определение значения емкости конденсатора связи перед вводом в работу, измерение значения емкостного тока, протекающего через конденсатор связи под рабочим напряжением, и рабочего напряжения сети в режиме реального времени. Далее выполняется расчет величины емкости конденсатора связи по измеренным значениям тока и напряжения, сравнение полученной величины емкости со значением емкости конденсатора связи, определенным перед вводом в работу и осуществляется диагностика и мониторинга технического состояния объекта, при этом значение емкости рассчитывают и сравнивают постоянно в режиме реального времени так, что в процессе измерения высокочастотный канал связи находится в работе. Технический результат заключается в возможности получения достоверной информации о техническом состоянии конденсатора связи в режиме реального времени, за счет чего повышается надежность работы сетей контролируемых объектах, где они установлены. Это также позволит избежать либо вовремя предотвратить аварийные ситуации (несчастные случаи), которые могут возникнуть в результате выхода из строя конденсатора связи. 14 ил., 1 табл.

Способ диагностики и мониторинга технического состояния конденсаторов связи под рабочим напряжением, включающий определение значения емкости конденсатора связи перед вводом в работу, измерение значения емкостного тока, протекающего через конденсатор связи под рабочим напряжением, и рабочего напряжения сети в режиме реального времени, расчет величины емкости конденсатора связи по измеренным значениям тока и напряжения, сравнение полученной величины емкости со значением емкости конденсатора связи, определенным перед вводом в работу, осуществление диагностики и мониторинга технического состояния объекта, при этом значение емкости рассчитывают и сравнивают постоянно в режиме реального времени так, что в процессе измерения высокочастотный канал связи находится в работе.