Устройство для диагностики состояния высоковольтных вводов Российский патент 2023 года по МПК G01R31/08 G01R31/12 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике в области электрооборудования высокого напряжения и предназначено для непрерывного контроля изоляции, диагностики и защиты высоковольтных вводов высоковольтных аппаратов, например силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов. Технический результат - повышение точности и чувствительности устройства.

Сущность: устройство согласно изобретению реализует периодическое измерение мгновенных значений напряжений на вводах и токов утечки изоляции вводов (по числу фаз), температуры и влажности окружающей среды, с последующим вычислением синусных и косинусных составляющих напряжений и токов по первой гармонике, их амплитуд и фазовых соотношений между токами и напряжениями, расчет с использованием этих величин емкостей основной изоляции вводов и коэффициентов потерь (tg δ), расчет отклонений полученных значений tg δ и емкости от их нормальных значений при данных измеренных значениях температуры и влажности окружающей среды и формирование предупредительной и/или аварийной сигнализации при превышении указанными отклонениями заданных предельных уровней.

Существо изобретения поясняется рисунками фиг. 1 … фиг. 7.

На фиг. 1 показана блок-схема известного устройства мониторинга состояния высоковольтных вводов согласно патенту RU 2401434 С1 (прототип).

На фиг. 2 … фиг. 5 показаны зависимости емкости основной изоляции и tg δ вводов от температуры и влажности окружающей среды.

На фиг. 6 и 7 показаны варианты реализации устройства диагностики состояния высоковольтных вводов согласно изобретению.

В настоящее время известен и применяется в электроэнергетике ряд систем и устройств контроля состояния изоляции высоковольтных вводов под рабочим напряжением. В наиболее совершенных из них используется метод прямого измерения мгновенных значений напряжений на вводах и токов утечки через измерительные выводы вводов с последующим вычислением комплексных проводимостей изоляции вводов и формировании предупредительной и аварийной сигнализации при выявлении отклонения емкости основной изоляции и/или угла потерь (tgδ) от заданных предельных уровней.

Известен ряд патентных материалов, выданных на подобные устройства, например:

- Патент Российской федерации № RU 2145420, Кл. G01R 31/08 31/12, Бюл. №4, 10.02.2000,

- Патент Российской федерации № RU 2328009 С1, Кл. G01R 31/02 31/14, Бюл. №18, 27.06.2006.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство (прототип), защищенное патентом Российской Федерации № RU 2401434 С1, Кл. G01R 31/14, Бюл. №28, 10.10.2010 г.

В этом решении реализуется прямое измерение мгновенных значений тока утечки изоляции каждого ввода и напряжения на вводе с последующим вычислением по измеренным значениям в ряде моментов времени (обычно от 32 до 256 точек на период) текущих значений частоты сети, амплитуд и фазовых соотношений между первыми гармониками токов и напряжений с использованием первых членов синусных и косинусных составляющих дискретного преобразования Фурье, и расчетом на основе этих величин емкости основной изоляции и tg δ ввода. Существо данного решения поясняется упрощенной блок-схемой фиг. 1.

К шинам А, В, С сети подключен объект контроля 1 - три (по числу фаз) высоковольтных ввода, к измерительным выводам которого присоединены три устройства подключения к объекту 2, чьи выходы, в свою очередь, через соответствующие узлы защиты токовых цепей 3 подключены к входам узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов 4. Последние в качестве развязывающих и согласующих элементов содержат приборные измерительные трансформаторы тока. К тем же шинам сети подключен измерительный трансформатор напряжения 5, сигналы с вторичных обмоток которого поступают на входы соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения 6. в них также в качестве развязывающих и согласующих элементов использованы приборные измерительные трансформаторы напряжения.

Выходы узлов развязки и нормализации 4 и 6 соединены с соответствующими входами ше-стиканального аналого-цифрового преобразователя 7, осуществляющего одновременную синхронную оцифровку сигналов в шести каналах, к выходу которого подключен блок вычисления емкостей и tg δ вводов 8. Вычисленные значения емкостей и tg δ вводов с выхода блока 8 поступают на первый вход блока сравнения 9, на второй вход которого подаются пороговые значения емкости и tg δ вводов для предупредительной и аварийной сигнализации из блока задания пороговых значений 10. Выходные синалы блока сравнения 9 передаются через блок дискретного вывода 11 в устройства подстанционной защиты и сигнализации.

Узлы 8…11 выполнены в виде аппаратно-программных средств микроконтроллера 12, который оснащен также коммуникационным портом 13, например последовательным интерфейсом (RS-485 или RS-232), через который измеренные и рассчитанные величины передаются во внешний персональный компьютер (терминал оператора) 14 для их отображения и долговременного хранения.

Данное устройство при всех его достоинствах по сравнению с предшественниками обладает существенным недостатком, связанным с зависимостью контролируемых параметров вводов от условий окружающей среды, главным образом - от ее температуры и относительной влажности. Зависимость емкости основной изоляции ввода С1 от температуры определяется в основном двумя факторами - изменением геометрических размеров ввода за счет теплового расширения/сжатия и изменением относительной диэлектрической проницаемости изоляции. В целом зависимость С1 от температуры близка к линейной. Для вводов с бумажно-масляной изоляцией (OIP) коэффициент этой зависимости составляет около 0,025% /°С. Для вводов с твердой изоляцией (RIP), которыми в настоящее время комплектуются высоковольтные аппараты, эта зависимость еще сильнее и характеризуется коэффициентом около 0,04% /°С.

В качестве примера на фиг. 2 показана зависимость от температуры емкостей С1 (в пФ) высоковольтных вводов трех фаз трансформатора напряжением 110 кВ, полученная в результате статистической обработки результатов измерений под рабочим напряжением, собранных за 9 месяцев 2022 года. Измерения и сохранение их результатов производились системой мониторинга, выполненной в соответствии с описанным выше изобретением-прототипом. Здесь в диапазоне ±20°С коэффициент зависмости С1 от температуры равен 0,041% /°С. На этом же рисунке показана зависимость усредненных значений емкостей С1 от относительной влажности воздуха (RH). Каждая из этих зависимостей несколько искажена, так как в ней скрыта зависимость от второго параметра, а эти параметры в некоторой степени коррелируют друг с другом. Полная усредненная зависимость C1=f(t°, RH) от двух параметров показана на трехмерном графике фиг. 3.

При изменении температуры воздуха для аппаратов наружной установки от минус 40 до +40°С диапазон изменения емкости С1 составит 3,2%, что весьма существенно, особенно для вводов высших классов напряжения с большим количеством обкладок, у которых пробой одного промежутка приводит к небольшому изменению полной емкости изоляции ввода.

Аналогичные зависимости коэффициента потерь tg δ от температуры и влажности воздуха показаны на фиг. 4 и 5.

Во избежание ложных срабатываний сигнализации и защиты при неблагоприятных с точки зрения роста контролируемых параметров в устройстве согласно прототипу приходится задавать пороговые значения параметров для сигнализации и защиты, при превышении которых формируются соответствующие выходные сигналы, превышающие нормальные значения каждого из параметров при наиболее неблагоприятных условиях окружающей среды. При этом заведомо ухудшается чувствительность устройства диагностики к изменению параметров вводов при благоприятных условиях, что может препятствовать своевременному выявлению развивающихся дефектов вводов.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства диагностики. Эта цель достигается за счет того, что пороговые значения емкости и tg δ основной изоляции не задаются константами, а вычисляются с учетом текущих значений температуры и относительной влажности окружающей среды, для чего в состав устройства вводятся дополнительно датчики этих параметров.

Блок-схема устройства согласно изобретению показана на Фиг. 6. К шинам А, В, С сети подключен объект контроля 1 - три (по числу фаз) высоковольтных ввода, к измерительным выводам которого присоединены три устройства подключения к объекту 2, чьи выходы, в свою очередь, через соответствующие узлы защиты токовых цепей 3 подключены к входам узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов 4. Последние в качестве развязывающих и согласующих элементов содержат приборные измерительные трансформаторы тока. К тем же шинам сети подключен измерительный трансформатор напряжения 5, сигналы с вторичных обмоток которого поступают на входы соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации сигналов напряжения 6. в них также в качестве развязывающих и согласующих элементов использованы приборные измерительные трансформаторы напряжения.

Выходы узлов развязки и нормализации 4 и 6 соединены с соответствующими входами шестиканального аналого-цифрового преобразователя 7, осуществляющего одновременную синхронную оцифровку сигналов в шести каналах, к выходу которого подключен блок вычисления емкостей и tg δ вводов 8. Вычисленные значения емкостей и tg δ вводов с выхода блока 8 поступают на первый вход блока сравнения 9, на второй вход которого подаются пороговые значения емкости и tg δ вводов для предупредительной и аварийной сигнализации из блока задания пороговых значений 10. Выходные синалы блока сравнения 9 передаются через блок дискретного вывода 11 в устройства под-станционной защиты и сигнализации. Вход блока задания пороговых значений 10 подключен к выходу блока определения нормальных значений емкости и tg δ исправного ввода 15, на вход которого поступают выходные сигналы второго (двухвходового) аналого-цифрового преобразователя 16, к входам которого подключены выходы датчика температуры окружающей среды 17 и датчика относительной влажности окружающей среды 18.

Узлы 8…11 и 15 выполнены в виде аппаратно-программных средств микроконтроллера 12, который оснащен коммуникационным портом 13, например последовательным интерфейсом (RS-485 или RS-232), через который измеренные и рассчитанные величины, в том числе значения температуры и влажности окружающей среды, передаются во внешний персональный компьютер (терминал оператора) 14 для их отображения и долговременного хранения.

Для определения нормальных значений емкости и tg δ ввода в блоке 15 могут использоваться либо аналитические зависимости С1_норм=f(t°, RH) и tg δ_норм=f(t°, RH), либо храниться соответствующие просмотровые таблицы, заполненные для ряда значений температуры и относительной влажности. В последнем случае нормальные значения С1 норм и tg δ норм для промежуточных значений температуры и влажности могут определяться интерполяцией.

На первом этапе эксплуатации вводов в таблицах могут храниться зависимости С1_норм=f(t°, RH) и tg δ_норм=f(t° RH), полученные в результате обработки статистических данных для вводов данного типа. По истечении некоторого срока эксплуатации вводов при условии проверки их исправности при регламентных работах в терминале 14 может осуществляться статистическая обработка накопленных результатов измерений и через коммуникационный порт 13 передаваться в микроконтроллер для обновления коэффициентов аналитических зависимостей или просмотровых таблиц С1_норм=f(t°, RH) и tg δ_норм=f(t°, RH), чем может быть достигнуто дальнейшее повышение точности и чувствительности диагностики изменения состояния данных конкретных вводов.

В настоящее время доступны датчики температуры и влажности с цифровым выходом. Вариант предлагаемого устройства с использованием такого типа датчиков показан на фиг. 7. В этом варианте второй аналого-цифровой преобразователь 16 заменяется вторым коммуникационным портом 19, подключенным к цифровой линии связи 20, в которую передают результаты измерений датчики 17 и 18.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике в области электрооборудования высокого напряжения и предназначено для непрерывного контроля изоляции, диагностики и защиты высоковольтных вводов высоковольтных аппаратов, например силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов. Технический результат - повышение точности и чувствительности устройства. Сущность: устройство, согласно изобретению, реализует периодическое измерение мгновенных значений напряжений на вводах и токов утечки изоляции вводов (по числу фаз), температуры и влажности окружающей среды, с последующим вычислением синусных и косинусных составляющих напряжений и токов по первой гармонике, их амплитуд и фазовых соотношений между токами и напряжениями, расчет с использованием этих величин емкостей основной изоляции вводов и коэффициентов потерь (tg δ), расчет отклонений полученных значений tg δ и емкости от их нормальных значений при данных измеренных значениях температуры и влажности окружающей среды и формирование предупредительной и/или аварийной сигнализации при превышении указанными отклонениями заданных предельных уровней. Устройство содержит по числу фаз аппарата устройства присоединения к объекту, подключенные к измерительным выводам вводов, узлы защиты токовых цепей, подключенные к выходам устройств присоединения, узлы гальванической развязки и нормализации сигналов тока, подключенные к выходам узлов защиты токовых цепей, узлы нормализации сигналов напряжения, получающие сигналы от сетевого трансформатора напряжения, датчик температуры окружающей среды, датчик относительной влажности окружающей среды, первый шестивходовой аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам узлов нормализации напряжений и токов, второй двухвходовой аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам датчиков температуры и влажности окружающей среды, и микроконтроллер, содержащий блок вычисления текущих значений емкостей и tg δ вводов, подключенный к выходу первого аналого-цифрового преобразователя, блок вычисления нормальных значений емкостей и tg δ вводов при данных температуре и влажности окружающей среды, подключенный к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, блок задания пороговых значений емкостей и tg δ вводов, вход которого подключен к выходу блока вычисления нормальных значений емкостей и tg δ вводов, блок сравнения, подключенный двумя входами к выходу блока вычисления текущих значений емкостей и tg δ вводов и к выходу блока задания пороговых значений емкостей и tg δ вводов, блок дискретных выходов, вход которого подключен к выходу блока сравнения, а на выходах формируются дискретные сигналы предупредительной и аварийной сигнализации (защиты), и порт последовательной связи для передачи текущих значений всех измеренных и вычисленных параметров в компьютерный терминал оператора. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для диагностики состояния высоковольтных вводов трехфазного трансформатора, содержащее устройства присоединения к измерительным выводам высоковольтных вводов всех трех фаз, выходы которых через узлы защиты токовых цепей подключены ко входам соответствующих узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих узлов нормализации сигналов напряжения, первый шестивходовой аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам узлов гальванической развязки и нормализации токовых сигналов и узлов нормализации сигналов напряжения, блок вычисления емкостей и и tg δ вводов, вход которого подключен к выходу первого аналого-цифрового преобразователя, блок задания пороговых значений емкостей и tg δ вводов, блок сравнения, входы которого подключены к выходам блока вычисления и блока задания пороговых значений емкостей и tg δ вводов, блок дискретного вывода, через который выходы блока сравнения передаются во внешние устройства сигнализации и защиты, и первый коммуникационный порт, через который измеренные и рассчитанные величины с выхода блока вычисления емкостей и tg δ вводов передаются в терминал оператора, отличающееся тем, что с целью повышения точности и чувствительности в него дополнительно введены датчик температуры окружающей среды, датчик относительной влажности окружающей среды, второй двухвходовой аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам упомянутых датчиков температуры и относительной влажности, и блок определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов, вход которого подключен к выходу второго аналого-цифрового преобразователя, а выход - к блоку задания пороговых значений вводов, причем порговые значения емкостей и tg δ в этом блоке вычисляются умножением вычисленных нормальных значений емкостей и tg δ вводов при данных температуре и влажности окружающей среды на заранее заданные отдельно для предупредительной сигнализации и для аварийного сигнала в устройства защиты коэффициенты запаса.

2. Устройство по п. 1, в котором, блок вычисления емкостей и и tg δ вводов, блок определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов, блок задания пороговых значений емкостей и tg δ вводов, блок сравнения, блок дискретного вывода и первый коммуникационный порт выполнены в виде аппаратно-программных средств микроконтроллера.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором блок определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов выполнен в виде запоминающего устройства, в котором содержатся просмотровые таблицы для определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов в зависимости от температуры и влажности окружающей среды.

4. Устройство по п. 1, 2 или 3, в котором используются датчики температуры и влажности с цифровым выходом, а второй аналого-цифровой преобразователь заменен вторым коммуникационным портом, к которому по цифровой линии связи подключаются указанные датчики.

5. Устройство по п. 1, 2, 3 или 4, в котором с целью дальнейшего повышения точности и чувствительности диагностики блок определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов подключен дополнительно к первому коммуникационному порту, через который в блок определения нормальных значений емкостей и tg δ вводов из внешнего компьютера могут передаваться обновленные просмотровые таблицы, уточненные по результатам статистического анализа результатов измерений, накопленных в течение некоторого периода эксплуатации заведомо исправных высоковольтных вводов.