ДАТЧИК ДЛЯ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
SENSOR FOR INSULATING STRUCTURES CONDITION CONTINUOUS MONITORING SYSTEM

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для определения состояния изолирующей конструкции, например, гирлянды изоляторов или цельного полимерного изолятора высоковольтной линии электропередачи, при осуществлении непрерывного контроля в составе системы, состоящей из множества таких датчиков, установленных вдоль линии электропередачи.
Из уровня техники известен полимерный изолятор, содержащий индикатор состояния в виде источника света, включенного в рассечку цепи присоединения изолятора к внешним элементам, мощность потока светового излучения которого зависит от величины тока утечки через изоляцию (Патент RU №2386184, МПК Н01В 17/00, опубл. 20.06.2010).
Недостатком аналога является то, что реализация заявленного изобретения на действующем оборудовании затруднительна, из-за необходимости создания рассечки цепи присоединения изолирующей конструкции к высоковольтному проводу или заземлению.
Известен способ дистанционной диагностики изолирующей конструкции который может быть реализован с устройством включающим электрический световой излучатель с подключенным параллельно ему разрядником, яркость свечения которого зависит от падения напряжения на его электродах, который устанавливается в месте доступном для наблюдения, при этом один из контактов излучателя заземляют, а второй контакт закрепляют на изолирующем участке конструкции (Патент РФ №2517776, МПК G01R 31/08, опубл. 27.05.2014).
Недостатком данного аналога является отсутствие возможности различения состояния изоляции по степени повреждения или загрязнения используя признак интенсивности частичных электрических разрядов на изоляции.
Известно также устройство определения состояния изолирующих подвесок, которое содержит: измеритель тока утечки; формирователь первого порогового значения тока утечки, формирователь второго порогового значения тока утечки, элемент сравнения, радиопередающее устройство (Патент РФ №2620021, МПК G01R 31/12, опубл. 22.05.2017).
Недостатком аналога является то, что процесс обработки сигналов о состоянии изолирующей подвески устройством, заключающийся в измерении величины тока утечки с последующим сравнением с заданными пороговыми значениями и передачей по радиоканалу, требует значительных затрат энергии от автономного источника питания, поскольку при реализации схема устройства будет сложной и содержать аналого-цифровой преобразователь.
Наиболее близким заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является устройство, выбранное нами за прототип, включающее световой излучатель с двумя электродами, выпрямитель, вход которого соединен с электродами, а выход через резистор с накопительным конденсатором, первый светоизлучающий элемент с электронным ключом, соединенный с накопительной емкостью, второй светоизлучающий элемент с электронным ключом, соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль и с выходом выпрямителя через второй конденсатор, при этом второй конденсатор вместе со вторым светоизлучающим элементом с электронным ключом образуют высокочастотный фильтр, постоянная времени которого установлена исходя из допустимой интенсивности частичных электрических разрядов на изолирующей конструкции (Патент РФ №2660754, МПК G01R 31/08, опубл. 09.07.2018).
Недостатком прототипа является то, что описанное устройство не предназначено для непрерывного контроля изоляции, поскольку служит для визуальной оценки состояния, выполняемой при периодических осмотрах персоналом в дневное время и сухую погоду. Регламент периодических осмотров существенно ограничивает достоверность контроля, поскольку, как известно, дефекты изоляции лучше проявляются при увлажнении изоляторов во время туманов, выпадения росы и дождя, когда увеличиваются токи утечки. Осмотры в это время не проводятся.
Задачей изобретения является разработка датчика состояния изолирующей конструкции, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом при реализации заявленного датчика для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций является обеспечение непрерывной регистрации различных состояний изолирующей конструкции с указанием наличия частичных электрических разрядов на изоляции и перекрытия изоляции дуговым разрядом (короткого замыкания) при обеспечении минимизации потребления устройством энергии.
Технический результат достигается тем, что датчик для системы непрерывного контроля состояния изолирующих конструкций включает входной узел с двумя электродами, выпрямитель, вход которого соединен с электродами, а выход через резистор с накопительным конденсатором, первый формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором, второй формирователь импульсов с электронным ключом и ограничителем напряжения, соединенный с накопительным конденсатором через электрический вентиль и с выходом выпрямителя через второй конденсатор, двухканальный регистратор частоты следования импульсов, первый и второй входы которого соединены выходами с первого и второго формирователей импульсов соответственно, сигнализатор короткого замыкания, беспроводной передатчик данных, соединенный с выходами регистратора частоты следования импульсов и сигнализатора короткого замыкания. Беспроводной передатчик передает сигналы пропорциональные частоте следования импульсов в каждом канале, а также сигнал короткого замыкания при превышении уровня напряжения от него на входе передатчика выше установленного порога, что дает возможность контролировать работу и фиксировать отказ изолирующей конструкции в непрерывном режиме в составе беспроводной системы контроля, состоящей дополнительно из устройств приема, обработки и представления информации оператору.
Важным фактором, определяющим реализуемость системы контроля состояния изоляции высоковольтной линии электропередачи на основе датчиков, устанавливаемых вдоль высоковольтной линии электропередачи, является время автономной работы. Датчики должны сохранять работоспособность в течение как минимум нескольких лет при адекватной стоимости. Это предъявляет серьезные требования к схемотехнике данных устройств и к потреблению ими энергии.
Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности (новизна, изобретательский уровень).
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общая схема, служащая для раскрытия принципа работы датчика для системы контроля состояния изолирующих конструкций; Фиг. 2 - фотография опытного образца датчика.
Принцип работы датчика, заложенный в изобретении, поясняется следующим. Устройство содержит (Фиг. 1): входной узел с электродами 1 и 2 и выпрямителем 3; RC-цепь с резистором R1 и накопительным конденсатором С1; первый формирователь импульсов 4 с электронным ключом и ограничителем напряжения; второй формирователь импульсов 5 с электронным ключом и ограничителем напряжения, подключенный к RC-цепи через конденсатор С1 и вентиль 6; регистратор частоты следования импульсов 7, поступающих с формирователей 4 и 5; сигнализатор короткого замыкания 8; беспроводной датчик 9, передающий сигналы поступающие с регистратора 7 и сигнализатора 8.
Устройство работает следующим образом. Когда изоляция находится в исправном состоянии или дефект незначителен, частичные электрические разряды на изоляции отсутствуют. В этом случае, при достижении в процессе заряда конденсатора С1 (Фиг. 1) на нем порогового напряжения открывания электронного ключа (30-50 В), происходит разряд его через формирователь 4, вызывая сигнал на первом входе регистратора импульсов 7. При этом напряжение на конденсаторе падает до некоторого нижнего порога, электронный ключ прекращает проводить ток и конденсатор С1 начинает заряжаться вновь и далее цикл повторяется. Частота повторения импульсов на входе регистратора носит периодический характер и зависит от ЭДС на входных электродах датчика, которая в свою очередь определяется распределением потенциала вдоль изолирующей конструкции, изменяющимся при ее повреждении или загрязнении. Регистратор импульсов 7 на выходе непрерывно формирует сигналы пропорциональный частоте следования импульсов на входе и передает их в беспроводной передатчик данных 9 для отправки с систему контроля. Элементы схемы R1 и С2 (Фиг. 1) подобраны таким образом, что низкочастотные колебания сети не проникают на второй формирователь импульсов 5. Кроме того, из-за падения напряжения на вентиле 6, пороговое напряжение включения электронного ключа второго формирователя импульсов 5 всегда выше и работает только первый формирователь импульсов 4.
Другая ситуация возникает, когда изоляция значительно повреждена или загрязнена и интенсивность частичных электрических разрядов высока. Частичные разряды создают импульсы напряжения на входе датчика длительностью на несколько порядков меньше периода напряжения промышленной частоты. При определенной величине этих импульсов напряжение на входе второго формирователя импульсов 5 с электронным ключом (Фиг. 1), благодаря малому сопротивлению конденсатора С2 высокочастотным импульсам, может превысить напряжение на формирователе 4 и тогда он включится и сформирует импульс первым. При высокой интенсивности электрических разрядов регистратор 7 будет принимать только импульсы на второй вход с формирователя 5. Характер импульсов не периодический, переходящий в непрерывный. Благодаря наличию вентиля 6, импульсы, вызванные разрядами, не будут влиять на работу первого формирователя 5.
Средняя степень повреждения изоляции, когда интенсивность электрических разрядов мала, будет характеризоваться случайным появлением импульсов со второго формирователя 5 на фоне первого 4 (Фиг. 1). Порог и частота появления импульсов со второго формирователя будет определяться постоянной времени цепи второго конденсатора С2 (Фиг. 1) и данного формирователя (5), образующих вместе высокочастотный фильтр.
Дополнительно формирователи утроены так, что напряжение на их выходах ограничивается, предотвращая повреждение регистратора при значительных уровнях входных сигналов.
Таким образом, на вход беспроводного передатчика данных 9 (Фиг. 1) от регистратора 7 будут непрерывно поступать две группы сигналов, пропорциональные частотам следования импульсов от формирователей 4 и 5. Третий сигнал на входе передатчика 9 возникнет от сигнализатора КЗ 8 при превышении установленного порогового напряжения. Сигнализатор настроен на фиксацию сильных электрических и магнитных полей, возникающих при перекрытии электрической дугой изолирующей конструкции на землю.
В отличие от аналогичных датчиков, измеряющих, как правило, величину тока утечки, в предложенном устройстве формируется сигнал пропорциональный частоте следования импульсов, что упрощает схемотехнику (не требуется оцифровка сигнала), снижает энергопотребление и повышает помехозащищенность.
Осуществление устройства возможно на основе схемы (Фиг. 1), работающей следующим образом. Выпрямитель, представляющий собой диодный мост, выпрямляет переменный ток. Этот ток заряжает конденсатор С1. По мере зарядки С1 напряжение на нем возрастает. Первый формирователь импульсов 4, включающий последовательно соединенные электронный ключ (например, динистор), и ограничитель напряжения на диоде или стабилитроне, не пропускает ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет определенного значения. Как только напряжение достигнет нужного значения, ключ открывается и заряд с конденсатора С1 разряжается через ограничитель напряжения, на котором формируется импульс длительностью, зависящей от выбранного сопротивления R2. После снижения напряжения на ключе ниже напряжения закрытия, конденсатор С1 начинает снова заряжаться и цикл повторяется, генерируя на выходе формирователя 4 последовательность импульсов. При отсутствии электрических разрядов на изоляции на вход регистратора импульсов будут поступать только импульсы с первого формирователя 4, поскольку из-за падения напряжения на электрическом вентиле 6 электронный ключ второго формирователя импульсов 5 всегда будет закрыт.При определенной величине импульсов частичных разрядов, благодаря малой емкости конденсатора С2, напряжение на электронном ключе второго формирователя может превысить напряжение на ключе первого и тогда он откроется первым и накопительный конденсатор С1 будет разряжаться через аналогичный первому второй формирователь 5, на выходе которого будут формироваться импульсы от частичных разрядов. Порог и частота появления импульсов на выходе второго формирователя будет определяться постоянной времени цепи, включающей конденсатор С2 и второй формирователь 5, образующих вместе высокочастотный фильтр. Импульсы с формирователей поступают на двухканальный регистратор 7, выполненный, например, на микроконтроллере, где производится подсчет числа импульсов в единицу времени от каждого формирователя и выработка сигналов, пропорциональных этому числу. Сформированные регистратором 7 две последовательности чисел поступают на беспроводной передатчик данных 9, куда также при появлении короткого замыкания поступает сигнал от сигнализатора КЗ 8.
Примером, показывающим возможность осуществления изобретения, является работа образцов датчика в составе системы контроля состояния изолирующих конструкций на действующей высоковольтной линии 110 кВ «Абдрахманово-Узловая» филиала ОАО «Сетевая компания» Альметьевские электрические сети. На фотографии (Фиг. 2) приведено изображение датчика, изготовленного по описанной выше схеме (Фиг. 1). Датчики устанавливаются на оконцевателях изоляторов или прикрепляются вблизи их на траверсах опор. Сигналы с датчиков собираются концентратором и далее передаются через сеть сотовой связи, например, на смартфон начальника службы линий, где отображаются в виде непрерывных графиков.
Заявленное техническое решение соответствует требованиям промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий, и прошло апробацию на объекте филиала ОАО «Сетевая компания» Альметьевские электрические сети.