УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

Область техники. Полезная модель относится к дистанционному контролю технического состояния (ТС) элементов электроэнергетического оборудования (ЭО) (например, силовых трансформаторов), находящегося под напряжением и может быть использовано для создания диагностических информационно-измерительных комплексов.
Уровень техники. Одной из серьезных проблем, связанных с диагностикой ЭО, является передача информационного сигнала от датчиков физических процессов, происходящих в высоковольтном оборудовании, а именно - температуры, частичных разрядов, акустических сигналов и др. в условиях высоких потенциалов и градиентов параметров электрических и магнитных полей в элементах оборудования.
Известны способы контроля технического состояния высоковольтного оборудования (ВВО), в которых используют естественные радиоканалы - собственные электромагнитные излучения (патент РФ №2368914 «Способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования», МПК G01R 31/302, 2009 г.), передающие информацию о техническом состоянии ВВО. Известны также устройства, использующие специально созданные радиоканалы для восприятия и передачи такой информации от пьезодатчиков, установленных на оборудовании (патент РФ №2388005 «Устройство для контроля разрядных процессов в силовом высоковольтном оборудовании», МПК G01R 31/08, 2010 г.). Однако радиоканалы обладают недостаточной помехозащищенностью, тем самым снижается качество контроля за состоянием ВВО.
В настоящее время в различных областях техники активно применяются волоконно-оптические способы передачи информации от датчиков. Для задач диагностики ВВО это техническое направление особо привлекательно, поскольку оптоволокно выполняется из материалов с высокими диэлектрическими свойствами, защищено от помех и практически не вносит изменений в рабочие электромагнитные поля ВВО [патенты РФ №2370737 (Устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов), №2262765 (Устройство для измерения частичных разрядов), патент Китая CN 201107631 (Transformer on-line monitoring device based on fiber optic sensor technology), заявка Японии JP 2008032587 (AE sensor using interference-type optical fiber, and partial discharge measuring device by AE sensor), патент Китая CN 101294856 (Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology)]. Известны также устройства, в которых по одному каналу передаются сигналы от нескольких датчиков, например патент РФ №2388005 (Устройство для контроля разрядных процессов в силовом высоковольтном оборудовании), патент Китая CN 101294856 (Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology)].
Известно, что физические параметры оптоволокна зависят от внешних факторов - температуры и механических деформаций (например, вибрации). Таким образом, оптоволокно может использоваться не только в качестве канала передачи информации, но и одновременно являться неотъемлемым элементом датчиков физических процессов. При этом, например, используется нанесение на оптоволокно брэгговских решеток [Ю.Н.Кульчин Распределенные волоконно-оптические измерительные системы М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001 - 272 с. - ISBN 5-9221-0072-6, патент РФ №2413259, МПК G02B6/124, G01D5/353. 2011 г. (Способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде)].
Анализ прототипа. Наиболее близким к заявляемому устройству, прототипом является устройство (патент Китая CN 101294856 «Transformer device on-line multi-parameter monitoring device based on optical fiber sensor technology», МПК G01H 9/00; G01K 11/32; G08B 25/08, 2008 г.). Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования содержит источник лазерного излучения, три сосредоточенных MEMS датчика, обеспечивающих измерение температуры, вибрации и шумов в одной точке конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования и соединенные посредством волоконно-оптической линии с устройством преобразования отраженных сигналов, которое соединено с устройством отображения информации.
Прототип имеет недостатки.
Во-первых, волоконно-оптические линии имеют высокую пропускную информационную способность, здесь же передается информация всего от 3-х датчиков, и потенциальные информационные возможности линии недоиспользуются.
Во-вторых, при увеличении числа точек установки датчиков на конструкции ВВО необходимо прокладывать дополнительные волоконно-оптические линии. Здесь необходимо учитывать, что прокладка дополнительных линий создает дополнительные трудности при эксплуатации ВВО.
В-третьих, в прототипе не учитываются изменения параметров самой волоконно-оптической линии под действием внешних факторов.
В-четвертых, в прототипе не учитывается способ прокладки волоконно-оптических линий, поскольку особенностью высоковольтного оборудования является наличие областей с высокими градиентами электрических потенциалов; введение в эти области дополнительных элементов (здесь - волоконно-оптической линии) может привести к искажению электрического поля, возникновению дополнительных частичных разрядов и, следовательно - к пробою изоляции и выходу оборудования из строя.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в обеспечении качественных и достоверных показателей технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования в рабочем режиме за счет точности определения местонахождения и степени развития дефектов.
Сущность полезной модели. Устройство контроля технического состояния высоковольтного электроэнергетического оборудования содержит источник лазерного излучения, волоконно-оптическую линию, устройство преобразования отраженных сигналов, которое соединено с устройством обработки и с устройством отображения информации. Устройство контроля технического состояния ВВО дополнительно содержит ответвитель и оптический разъем, при этом вход ответвителя соединен с выходом источника лазерного излучения, первый выход ответвителя соединен с входом оптического разъема, а второй выход ответвителя соединен с устройством преобразования отраженных сигналов. В качестве волоконно-оптических датчиков измеряемых параметров на волоконно-оптическую линию нанесены брэгговские решетки, линия размещена на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования по предварительно выбранной траектории, которая не проходит через области с высокими градиентами электрических потенциалов. Количество датчиков (брэгговских решеток) измеряемых параметров равно количеству предварительно выбранных точек на траектории прокладки волоконно-оптической линии. Таким образом, датчиками температуры и вибрации является сама волоконно-оптическая линия.
Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого устройства контроля технического состояния ВВО, заключается в повышении точности определения местонахождения и степени развития дефектов за счет обеспечения многоточечного режима измерений при минимизации коммуникаций, и, в конечном итоге - повышение объективности определения технического состояния высоковольтного оборудования во время его эксплуатации в рабочих режимах.
Осуществление полезной модели. Описание конструкции устройства контроля технического состояния ВВО поясняется чертежом. Лазерный источник 1 излучения присоединен ко входу ответвителя 2, с первого выхода которого лазерное излучение через оптический разъем 10 вводится в волоконно-оптическую линию 3. Волоконно-оптическая линия 3 закреплена на конструкции 4 высоковольтного оборудования, причем последовательно проходит через предварительно выбранные характерные контрольные точки 5 конструкции 4 оборудования. На волоконно-оптической линии 3 нанесено множество брэгговских решеток 6.
Второй выход ответвителя 2, на котором выделяется отраженный оптический сигнал волоконно-оптической линии 3, соединен с входом устройства 7 преобразования отраженных сигналов в цифровую электронную форму, выход которого в свою очередь соединен с входом устройства 8 обработки информации и принятия решений. Элементы 1, 2, 7, 8 устройства объединены в общую конструкцию 9.
1
i,
N
1
i
N
Работа устройства. Широкополосное лазерное излучение от источника 1 лазерного излучения вводится в волоконно-оптическую линию 3, на которой нанесены брэгговские решетки 6, причем элементы линии 3 с брэгговскими решетками расположены в предварительно выбранных точках 5 контроля параметров физических процессов высоковольтного оборудования. Линия 3 размещена на конструкции высоковольтного электроэнергетического оборудования, проходит через точки 5 контроля по предварительно выбранной траектории, и не проходит через области с высокими градиентами электрических потенциалов. Если измерительная линия содержит N брэгговских решеток, соответствующих N контрольным точкам, то они настроены на различные длины волн излучения, соответственно λ, …,λ…. λ.каждая из которых имеет спектральную рабочую область Δλ, …Δλ, …Δλ, то для каждого датчика с номером i должно выполняться условие:
i
i+1
i-1
Δλ≤(λ-λ)/2
При вводе в такую распределенную измерительную линию излучения от широкополосного источника света со спектральной полосой
N
1
Δλ>(λ-λ),
отраженный сигнал будет состоять из N частотных компонент, длина волны для каждой компоненты оказывается в пределах отведенной ему полосы спектра. Таким образом, каждой частоте отраженного оптического сигнала будет соответствовать соответствующая брэгговская решетка 6, и, следовательно, соответствующая контрольная точка оборудования.
Отраженные от брэгговских решеток 6 сигналы передаются по волоконно-оптической линии 3 и через ответвитель 2 поступают в устройство 7 преобразования отраженных сигналов в цифровую электронную форму. С выхода устройства 7 информация передается на устройство 8 обработки информации и принятия решений.
В статическом состоянии при неработающем (выключенном) элементе высоковольтного оборудования величины (значения) отраженных сигналов фиксируются в устройстве 8.
При работе элемента оборудования происходит изменение температуры контрольных точек, а также изменение температуры всего оптоволокна. В связи с этим меняются физические условия прохождения по волоконно-оптической линии зондирующего лазерного импульса, и изменяются величины и (или) фазы отраженных сигналов, которые фиксируются устройством 7 и являются информацией, которая подлежит обработке в устройстве 8 и основой принятия решения относительно распределения температуры в элементе оборудования.
Кроме того, работа элемента оборудования сопровождается вибрацией, которая является деформирующим воздействием на брэгговскую решетку. При ее малых деформациях происходит малая вариация частоты отраженного сигнала в пределах спектральной рабочей области. Измерение вариации частоты также происходит в устройстве 7 и является информацией, которая подлежит обработке в устройстве 8 и основой принятия решения относительно распределения вибрационных воздействий в элементе оборудования.