УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может использоваться для дистанционного профилактического, в том числе предаварийного, оптического контроля наружных изоляционных конструкций энергетического высоковольтного оборудования: многоэлементных изоляторов воздушных линий электропередачи, опорной изоляции подстанционного оборудования, высоковольтных блоков питания мощных лазерных установок, изоляторов железнодорожной контактной сети переменного тока и т.п. Возникающие в таком высоковольтном оборудовании повреждения, например, вследствие нарушения целостности элементов конструкций, могут вызывать поверхностные, в том числе, коронные разряды, характеризующиеся излучением в ультрафиолетовом диапазоне спектра, а также могут вызывать дополнительный нагрев элементов конструкций, характеризующийся излучением в инфракрасном диапазоне спектра.
Известно устройство для оптического контроля изоляции [Арбузов Р.С., Кандауров А.С., Овсянников А.Г. Устройство для оптического контроля изоляции // Патент РФ на полезную модель №55480 от 10.08.2006 г. Бюл. №22; Арбузов Р.С. Исследования и совершенствование метода оптического контроля внешней изоляции электрооборудования высокого напряжения /Автореф. дис. … кандидата технических наук: Специальность 05.14.12. - Техника высоких напряжений. - Новосибирск: Типография НГТУ, 2005. - 23 с.].
Устройство для оптического контроля изоляции содержит приемную оптическую систему, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) со стробирующим усилителем яркости (с набором сменных полосовых оптических фильтров его рабочие поддиапазоны спектра 280-300, 400-600, 600-800 нм и без полосовых оптических фильтров его полный рабочий диапазон спектра 280-800 нм), фотоприемное устройство (ФПУ), блок обработки и отображения информации, получаемой с ФПУ.
Основным недостатком аналога является отсутствие в его составе инфракрасного канала с рабочим диапазоном спектра 3-12 мкм, который позволяет в силу высокой чувствительности к температурному контрасту контролируемых элементов высоковольтного оборудования обнаруживать их неисправности, возникающие на ранних этапах, и отсутствие дальномерного устройства.
Прототипом является устройство для измерения и обнаружения электрического разряда [Stolper G.R., Schutz R.A. Apparatus, methods and systems for measuring and detecting electrical discharge // Patent No. US 2016/0025799 A1. 28.01.2016; Стоплер Г.Р., Шутц P.A. Устройства, способы и системы для измерения и обнаружения электрического разряда // Патент №RU 2661976 С2. 23.07.2018.].
Данное устройство для измерения и обнаружения электрического разряда содержит приемную оптическую систему, наблюдательную ветвь, содержащую полосовые оптические фильтры и два ФПУ, регистрирующие излучение в видимом и инфракрасном диапазонах спектра соответственно, измерительную ветвь, содержащую полосовой оптический фильтр и ФПУ, регистрирующее излучение в ультрафиолетовом диапазоне спектра, дальномерное устройство, блок обработки и отображения информации, получаемой с ФПУ наблюдательной ветви, ФПУ измерительной ветви и дальномерного устройства.
Основными недостатками прототипа являются:
- использование приемной оптической системы, включающей два отдельных объектива - для ультрафиолетового и видимого (первый объектив) и инфракрасного (второй объектив) диапазонов спектра, что создает дополнительную проблему - необходимость обеспечения соосности оптических осей ультрафиолетового, видимого и инфракрасного каналов; не соблюдение соосности этих оптических осей вызывает снижение точности определения координат неисправности контролируемых элементов; наличие двух объективов также ухудшает массогабаритные параметры устройства;
- для выделения потока излучения ультрафиолетового диапазона спектра, который является информационным для получения количественных данных по величине коронного и других видов поверхностных разрядов, приводящих к разрушению элементов высоковольтного оборудования, применяется только полосовой оптический фильтр, который не может обеспечить необходимый уровень соотношения «сигнал/фон» в дневное время суток;
- использование ЭОП, которые требуют применения сложной электронной системы управления получения изображения.
Техническим результатом полезной модели является повышение вероятности обнаружения и точности измерения электрического разряда в любое время суток при сохранении небольших массогабаритных характеристик устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования, содержащем приемную оптическую систему, наблюдательную ветвь, содержащую, по меньшей мере, один полосовой оптический фильтр, фотоприемное устройство (ФПУ), регистрирующее излучение в видимом диапазоне спектра, ФПУ, регистрирующее излучение в инфракрасном диапазоне спектра, измерительную ветвь, содержащую полосовой оптический фильтр и ФПУ, регистрирующее излучение в ультрафиолетовом диапазоне спектра, дальномерное устройство и блок обработки и отображения информации, получаемой с ФПУ наблюдательной и измерительной ветвей и дальномерного устройства, согласно настоящей полезной модели, приемная оптическая система представляет собой зеркальный объектив, общий для наблюдательной и измерительной ветвей, по ходу лучей после зеркального объектива введена дифракционная решетка, выполненная с возможностью пропускания в нулевом порядке дифракции потока излучения в видимом и инфракрасном диапазонах спектра в наблюдательную ветвь, а в рабочем порядке дифракции - потока излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра в измерительную ветвь, при этом в измерительной ветви дополнительно введена спектральная щель, установленная по ходу лучей в рабочем порядке дифракции дифракционной решетки между полосовым оптическим фильтром и ФПУ в задней фокальной плоскости зеркального объектива, а в наблюдательной ветви по ходу лучей в нулевом порядке дифракции дифракционной решетки дополнительно введен спектроделитель, выполненный с возможностью разделения потока излучения на видимый и инфракрасный диапазоны спектра. ФПУ измерительной ветви может представлять собой малошумящий солнечно-слепой кремниевый фотоприемник.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.).
На фиг. изображена функциональная схема предлагаемого устройства обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования.
Устройство 1 обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования содержит приемную оптическую систему, представляющую собой зеркальный объектив 2, наблюдательную 3 и измерительную 4 ветви, а также дальномерное устройство 5. По ходу лучей после зеркального объектива 2, который является общим для наблюдательной 3 и измерительной 4 ветвей, введена дифракционная решетка 6, выполненная с возможностью пропускания в нулевом порядке дифракции потока излучения в видимом и инфракрасном диапазонах спектра в наблюдательную ветвь 3, а в рабочем порядке дифракции - потока излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра в измерительную ветвь 4. Наблюдательная ветвь 3 содержит расположенный по ходу лучей в нулевом порядке дифракции дифракционной решетки 6 спектроделитель 7, обеспечивающий возможность разделения потока излучения на видимый и инфракрасный диапазоны спектра. По ходу лучей в видимом диапазоне спектра установлено ФПУ 8, по ходу лучей в инфракрасном диапазоне спектра последовательно установлены сменный полосовой оптический фильтр 9 и ФПУ 10. Измерительная ветвь 4 содержит последовательно установленные по ходу луча в рабочем порядке дифракции дифракционной решетки 6 полосовой оптический фильтр 11, спектральную щель 12, расположенную в задней фокальной плоскости зеркального объектива 2, а также ФПУ 13. Выходы ФПУ 8 и ФПУ 10 наблюдательной ветви 3 и дальномерного устройства 5 подключены к соответствующим входам блока обработки и отображения информации 14. ФПУ 13 измерительной ветви 4 подключено к соответствующему входу блока обработки и отображения информации 14 через узкополосный усилитель 15. Кроме того, на фигуре показан элемент контролируемого высоковольтного оборудования 16, находящийся в поле зрения устройства 1.
Ниже приведен пример конкретного исполнения предложенного устройства 1 обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования.
Приемная оптическая система, представляющая собой зеркальный объектив 2, построена по оптической схеме типа Кассегрена и имеет световой диаметр 40 мм, фокусное расстояние 200 мм (относительное отверстие 1:8) и угловое поле зрения 2°. На рабочие поверхности элементов объектива нанесено зеркальное алюминиевой покрытие.
Дальномерное устройство 5 представляет собой малогабаритный и легкий лазерный дальномер модели «MLR-100» (фирма «FLIR»).
Дифракционная решетка 6 выполнена в виде пропускающей голограммной рельефно-фазовой дифракционной решетки со световым диаметром 20 мм на подложке из оптического материала - флюорита (фтористого кальция) [Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - С. 667], толщина которой 1 мм. Голограммная рельефно-фазовая дифракционная решетка, как известно [Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Дифракционные решетки / Современные тенденции в технике спектроскопии. - Новосибирск: Наука, 1982. С. 24-94], отличается отсутствием ложных спектральных линий - так называемых «духов Роуланда» и «духов Лаймана» - и характеризуется пониженным уровнем рассеянного света, что обеспечивает повышенное отношение «сигнал/фон».
Спектроделитель 7 выполнен со световым диаметром 20 мм на подложке из кварцевого оптического стекла марки КУ-1 (ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия»), толщина которой 2 мм, и имеет полупрозрачное покрытие.
ФПУ 8 представляет собой ПЗС-матрицу модели «Exmor R CMOS» фирмы «SONY».
В наблюдательной ветви 3 установлен, по меньшей мере, один полосовой оптический фильтр 9. В данном конкретном примере исполнения устройства 1 предлагается ввести два полосовых оптических фильтра 9, соответствующих инфракрасным поддиапазонам спектра 3,0-5,0 мкм и 8,0-14,0 мкм, каждый из которых выполнен в виде плоскопараллельной пластинки диаметром 20 мм и толщиной 1 мм из монокристаллического оптического германия, на рабочую поверхность которой нанесено диэлектрическое покрытие, причем эти фильтры 9 выполнены с возможностью переменного введения в оптический тракт наблюдательной ветви 3.
Прошедший через один из полосовых оптических фильтров 9 поток излучения в соответствующем инфракрасном поддиапазоне спектра регистрируется ФПУ 10, которое представляет собой неохлаждаемый микроболометрический двухспектральный (3,0-5,0 мкм; 8,0-14,0 мкм) матричный детектор.
Полосовой оптический фильтр 11 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки диаметром 20 мм и толщиной 1 мм из цветного оптического стекла марки УФС5.
ФПУ 13 регистрирует излучение в ультрафиолетовом диапазоне спектра и выполнено в виде малошумящего солнечно-слепого кремниевого фотоприемника серии «TOCON» (компания «SGLUX») со встроенным предусилителем. Поток излучения, выделенный дифракционной решеткой 6 совместно с полосовым оптическим фильтром 11 и спектральной щелью 12, занимает не более 1/2 от площади светочувствительного элемента кремниевого фотоприемника в плоскости дисперсии дифракционной решетки 6.
Блок обработки и отображения информации 14 выполнен на основе микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, пользовательским интерфейсом и возможностью вывода информации на дисплей и записи данных на информационный носитель типа флэш-карта.
Блок обработки и отображения информации 14 содержит модуль памяти, в котором хранятся калибровочные данные, полученные на этапе калибровки устройства 1 при использовании эталонного излучателя в ультрафиолетовом диапазоне спектра, связывающие величину выходного тока ФПУ 13, входную освещенность, полученную от эталонного излучателя и дальность от устройства 1 до эталонного излучателя.
Блок обработки и отображения информации 14 выполнен с возможностью отображения элемента 16 контролируемого высоковольтного оборудования на дисплее в виде его телевизионного изображения (полученного с ФПУ 8), инфракрасного изображения (полученного с ФПУ 10) в псевдоцветах или комплексированного изображения (комбинация сигналов, полученных с ФПУ 8 и ФПУ 10), а также количественных данных о величине заряда в области возникающих поверхностных разрядов на неисправных элементах 16 контролируемого высоковольтного оборудования, рассчитанного с учетом измеренной дальности до этого элемента 16 при помощи встроенного миниатюрного дальномерного устройства 5, с учетом измеренной величины выходного тока с ФПУ 13, калибровочных данных и поправочных коэффициентов, обусловленных условиями окружающей среды, например, относительной влажности и температуры. Поправочные коэффициенты могут быть заранее рассчитаны при помощи программы для ЭВМ «Модель для расчета прозрачности атмосферы на произвольно ориентированных оптических трассах» [Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU №2014660671, опубл. 20.11.2014 г., Правообладатель: АО «НПО ГИПО» (RU)], которые записаны в модуль памяти блока обработки и отображения информации 14 и могут выбираться с помощью пользовательского интерфейса в зависимости от преобладающих погодных условий на момент эксплуатации устройства 1.
Узкополосный усилитель 15 представляет собой полосовой усилитель переменного тока с центральной частотой υ=50 Гц.
Устройство 1 обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования работает следующим образом (см. фиг.).
Поток излучения от неисправного элемента 16 контролируемого высоковольтного оборудования поступает на входной зрачок приемной оптической системы - зеркального объектива 2 устройства 1 и далее на дифракционную решетку 6, прозрачную в рабочем диапазоне спектра от 0,26 до 14 мкм, причем в ее нулевом порядке дифракции поток излучения поступает в наблюдательную ветвь 3 на спектроделитель 7, где он разделяется на два потока - в видимом диапазоне спектра (за счет соответствующего пропускания спектроделителя 7) и инфракрасном диапазоне спектра (за счет соответствующего отражения спектроделителя 7), а в ее рабочем порядке дифракции поток излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра поступает в измерительную ветвь 4.
Поток излучения в видимом диапазоне спектра поступает на ФПУ 8, выход которого электрически сопряжен со входом блока обработки и отображения информации 14.
Поток излучения в инфракрасном диапазоне спектра, пройдя через один из сменных полосовых оптических фильтров 9, поступает на ФПУ 10, выход которого подключен к входу блока обработки и отображения информации 14.
Поток излучения проходит дифракционную решетку 6 в ее рабочем порядке дифракции и поступает в измерительную ветвь 4. За счет дисперсионных свойств дифракционной решетки 6 формируется поток излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра с резкими границами спектральной полосы. Полосовой оптический фильтр И выполняет дополнительную спектральную селекцию потока излучения, который далее проходит через спектральную щель 12, расположенную в задней фокальной плоскости зеркального объектива 2, за счет чего подвергается дополнительной пространственной фильтрации, в итоге отсеяв длинноволновую часть ультрафиолетового диапазона, и поступает на светочувствительную площадку ФПУ 13. Таким образом, дифракционная решетка 6, полосовой оптический фильтр 11 и спектральная щель 12 обеспечивают возможность выделить полезные сигналы низкой интенсивности в области спектра от 260 до 290 нм и полностью исключить попадание на светочувствительную площадку ФПУ 13 мощного солнечного излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра и существенно повысить отношение «сигнал/фон».
Выход ФПУ 13 через узкополосный усилитель 15 с центральной частотой υ=50 Гц, соответствующей промышленной частоте переменного тока, подключен к блоку обработки и отображения информации 14. Узкополосной усилитель 15 позволяет дополнительно повысить отношение «сигнал/фон».
Блок обработки и отображения информации 14 с использованием специального программного обеспечения выводит на дисплей изображение диагностируемого (потенциально неисправного) элемента 16 контролируемого высоковольтного оборудования сначала в видимом диапазоне спектра, затем в инфракрасном диапазоне спектра (при этом возможен выбор поддиапазонов 3,0-5,0 мкм или 8,0-14,0 мкм) в псевдоцветах, а, при необходимости, - комплексированное изображение. В сумеречное, ночное время и в условиях плохой видимости (дождь, туман) наблюдение диагностируемого элемента 16 проводится в инфракрасном диапазоне спектра. При этом возможно обнаружение аномалии температурного контраста элемента 16, которая свидетельствует о возможности возникновения очага поверхностного разряда в наблюдаемом элементе 16 контролируемого высоковольтного оборудования. Затем включается дальномерное устройство 5, с которого количественные данные о расстоянии до элемента 16 контролируемого высоковольтного оборудования поступают на вход блока обработки и отображения информации 14.
Далее блок 14 обрабатывает информацию и отображает ее в виде телевизионного изображения, или инфракрасного изображения в псевдоцветах, или комплексированного изображения исследуемого элемента 16, а также количественные данные о рассчитанной величине заряда в области возникающих поверхностных разрядов на данном элементе 16 контролируемого высоковольтного оборудования.
На основании полученных количественных данных принимается решение о выполнении конкретных мер по предотвращению возможной аварии.
Предлагаемое устройство позволяет в режиме реального времени обнаруживать и измерять электрические разряды высоковольтного оборудования в любое время суток и обеспечивает повышение вероятности обнаружения и точности их измерения при сохранении небольших массогабаритных характеристик устройства за счет применения одного компактного зеркального объектива, общего для наблюдательной и измерительной ветвей, применения пропускающей дифракционной решетки, при этом после дифракционной решетки в измерительной ветви поток излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра подвергается дополнительной спектральной и пространственной фильтрации при помощи полосового оптического фильтра и спектральной щели, обеспечивая существенное повышение отношения «сигнал/фон».