УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
DEVICE FOR MONITORING OF POWER TRANSFORMER INSULATION CONDITION

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и служит для контроля состояния изоляции силовых трансформаторов подстанций 110/35/10 кВ.
Известны традиционные устройства [см. Объем и нормы испытаний электрооборудования. 6-е изд., перер. и доп. РД 34.45-51. 300-97. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001.] измерения тангенса угла диэлектрических потерь и коэффициента абсорбции силовых трансформаторов.
Недостатком устройств является невозможность обнаружения опасных ухудшений внутреннего состояния изоляции (подверженной как общему старению - медленному процессу, так и влиянию локальных дефектов, развивающихся значительно быстрее), что не позволяет, в полной мере, выявить дефекты на ранней стадии их образования. Кроме того, использование традиционных устройств для контроля состояния маслобумажной изоляции трансформатора возможно лишь после его отключения от питающего напряжения сети.
3
Известно также устройство для контроля состояния изоляции силовых трансформаторов [см. а.с. N1357886, М. Кл. G01R 31/06. 1987. Бюл.№45], организующее определение снижения состояния изоляции силового трансформатора, сверх установленной нормы, при прохождении через его обмотки низкого (НН) и высокого (ВН) напряжения посторонних высокочастотных сигналов (ВЧ), источниками которых могут быть инверторы, дуговые электрические печи и т.д., постоянно включенные в сеть.
Устройство включает в себя последовательную цепь через силовой трансформатор: параметрические преобразователи НН и ВН - делители напряжений - резонансные усилители - формирователи импульсов - выпрямители с фильтром - дифференциально-усилительный блок - ключевой элемент - формирователи длительности импульсов - двухвходовой элемент - усилитель мощности - исполнительный блок, срабатывающий при состоянии изоляции контролируемого трансформатора, соответствующем предаварийной стадии.
Недостатком данного устройства является отсутствие стационарного источника высокочастотных сигналов, что не позволяет осуществлять постоянный или периодический контроль состояния внутренней изоляции силового трансформатора.
3
За прототип принято устройство для контроля состояния изоляции силовых трансформаторов [см. а.с. №845280 (СССР), М. Кл. H03K 13/00, опубликованное 07.07.81. Бюл.№25], включающее контролируемый силовой трансформатор с выводами низковольтной обмотки и с выводами высоковольтной обмотки, посредством кабелей подсоединяемый к контроллеру, содержащему операционный дифференциальный усилитель, операционный блок отношения (усилитель мощности), блок индикации, первый выпрямитель, второй выпрямитель и высокочастотный генератор.
Недостатком прототипа является невозможность контроля состояния изоляции силового трансформатора без отключения его от напряжения питающей сети (под рабочим напряжением), а также телеконтроль.
Технической задачей является автоматизация телеконтроля состояния изоляции силовых трансформаторов под рабочим напряжением на подстанциях 110/35/10 кВ.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройство, содержащее силовой трансформатор с выводами обмотки НН и с выводами обмотки ВН и контроллер, включающий генератор высокой частоты, два выпрямителя, связанные через дифференциальный усилитель и усилитель мощности с блоком индикации, в отличие от прототипа, введены мостовой разделительный фильтр, штатное электрооборудование высокочастотных обработок связи 35 и 110 кВ подстанций, состоящее из трех заградителей, конденсаторов связи и фильтров присоединений, а также высокочастотного тракта, организованного по воздушной линии 110 кВ, передатчик из последовательно соединенных пускового блока, генератора модулированных высокочастотных сигналов, усилителя мощности связи и линейного фильтра, приемник, состоящий из последовательно включенных входного и промежуточного фильтров, усилителя высокой частоты, демодулятора и блока сигнализации, а выход усилителя высокой частоты связан также с входом блока контроля несущей высокой частоты, причем выход усилителя мощности контроллера соединен с входом пускового блока передатчика, выход линейного фильтра которого подключен через мостовой разделительный фильтр, первые фильтр присоединения и конденсатор связи к высокочастотному тракту, связанному на противоположной стороне через третьи конденсатор связи и фильтр присоединения с входным фильтром приемника, при этом вход первого выпрямителя контроллера соединен через вторые фильтр присоединения, конденсатор связи и заградитель с выводом низкой обмотки трансформатора, вывод высоковольтной обмотки которого через первый заградитель по воздушной линии 110 кВ соединен с третьим заградителем, а вход второго выпрямителя подключен к первому выходу диагонали измерения мостового разделительного фильтра, второй выход диагонали измерения которого связан с первым фильтром присоединения, а к его входам диагонали питания подключены соответственно выход линейного фильтра передатчика и выход генератора высокой частоты.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для контроля состояния изоляции силовых трансформаторов. Устройство содержит штатное электрооборудование 1 подстанций, включающее контролируемый силовой трансформатор 1.1 с выводами обмотки низкого НН и обмотки высокого ВН напряжения, три заградителя 1.2, 1.3 и 1.4, конденсатора связи 1.5, 1.6 и 1.7 и фильтра присоединения 1.8, 1.9 и 1.10; ВЧ тракт, организованный по воздушной линии ВЛ-110 кВ. Устройство включает контроллер 2, имеющий первый выпрямитель 2.1, второй выпрямитель 2.2, дифференциальный усилитель 2.3, усилитель мощности 2.4, блок индикации 2.5, генератор высокой частоты 2.6 и мостовой разделительный фильтр 2.7 с диагональю питания «а-в» и диагональю измерения «б-г». Введены передатчик 3, содержащий пусковой блок 3.1, генератор 3.2 модулированных высокочастотных сигналов, усилитель 3.3 мощности связи и линейный фильтр 3.4; а также приемник 4, включающий входной фильтр 4.1, промежуточный фильтр 4.2, усилитель 4.3 высокой частоты, демодулятор 4.4, блок 4.5 сигнализации и блок 4.6 контроля несущей высокочастотного сигнала.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 2.6 контроллера 2 вырабатывает синусоидальные высокочастотные сигналы (50±5 кГц, мощность выходного сигнала не менее 5 Вт и выходное напряжение не более 50 B), которые поступают через мостовой разделительный фильтр 2.7, имеющий малое входное сопротивление в плечах «а-б» и «а-г» и большое сопротивление в плечах «б-в» и «в-г» для данного сигнала на первые фильтр 1.9 присоединения, конденсатор 1.6 связи и заградитель 1.3 высокочастотного сигнала (полоса заграждения в зависимости от настройки 100 кГц-1,0 МГц), имеющий малое сопротивление для токов частоты 50±5 кГц и далее на обмотку ВН 110 кВ проверяемого трансформатора 1.1 и одновременно на вход второго выпрямителя 2.2 напряжения. Сигнал, прошедший через диагностируемый трансформатор 1.1, поступает через вторые заградитель 1.2, имеющий малое сопротивление для токов частоты 50±5 кГц, конденсатор 1.5 связи, фильтр 1.8 присоединения на первый вход выпрямителя 2.1 напряжения. С выходов выпрямителей напряжения 2.1 и 2.2 высокочастотные сигналы поступают на входы дифференциального усилителя 2.3, результирующий сигнал которого через усилитель мощности 2.4 воздействует на блок индикации 2.5, показывающий состояние изоляции, и далее, в случае отклонения от нормы, на пусковой блок 3.1 передатчика.
Структурная схема передатчика 3 содержит генератор 3.2 модулированных высокочастотных сигналов - ГМВС - (100 кГц-1 МГц). Управление передатчиком 3 осуществляется через пусковой блок 3.1. С выхода ГМВС 3.2 сигнал через усилитель 3.3 мощности и линейный фильтр 3.4 поступает через ВЧ-кабель в мостовой разделительный фильтр 2.7, имеющий малое входное сопротивление в плече «б-в» и большое сопротивление в плечах «а-б» и «в-г» для данного сигнала, и далее через фильтр 1.9 присоединения, конденсатор 1.6 связи следует в линию электропередачи 110 кВ, по которой организован ВЧ-тракт.
ВЧ-тракт, выполненный по схеме фаза-земля, образуется одним из проводов линии 110 кВ и оборудованием обработки и присоединения, состоящим из заградителей 1.3 и 1.4, конденсаторов связи 1.6 и 1.7, фильтров присоединения 1.9 и 1.10 соответственно, высокочастотных кабелей, соединяющих выход «б» мостового разделительного фильтра 2.7 с входом фильтра 1.9 присоединения на контролируемом пункте, а также выход фильтра 1.10 присоединения с входом фильтра 4.1 приемника 4 на пункте управления. Заградители 1.3 и 1.4, представляющие собой параллельный резонансный контур, имеют большое сопротивление для токов ВЧ частотой 100 кГц-1,0 МГц в сторону выводов обмоток высокого напряжения трансформаторов и незначительное сопротивление для токов диапазона промышленной частоты от 50 Гц до частоты контроля 50±5 кГц.
С одной стороны, конденсаторы связи 1.5 и 1.6 с фильтрами присоединений 1.8 и 1.9 соответственно служат для пропускания токов сигналов генератора частотой 50±5 кГц. С другой стороны, конденсаторы связи 1.6 и 1.7 вместе с фильтрами присоединения 1.9 и 1.10 соответственно образуют несимметричные четырехполюсники, служащие для согласования входных сопротивлений линии и ВЧ-кабелей и для разделения токов частоты 50 Гц от полосы высоких частот 100 кГц -1,0 МГц.
тр
1
2
1
2
Затухание ВЧ-тракта электрооборудования 1 α=10 lg (P/P), где P и P - кажущаяся мощность в пунктах приема и передачи соответственно. При этом, чем выше частота, тем больше затухание. Перекрываемое затухание аппаратуры канала определяется по выражению:
пер
пр
αп=P-P,
пер
пр
п
п
где P - мощность передачи; P - необходимая мощность приема. Запас по перекрываемому затуханию Δα=α-α должен составлять 10-15 дБ.
Уровень порога чувствительности приемника 4 выбирается по формуле:
ч
пер
тр
зап
пр
P=P-(α+A ΔP),
зап
пр
где A - минимально допустимый запас по перекрываемому затуханию, равный 10 дБ; ΔP=10 lg (Δf/1400) - уменьшение чувствительности приемника 4 при полосе пропускания Δf, отличной от нормированной.
ВЧ-сигнал, приходящий в приемник 4 с противоположного конца ВЛ-110 кВ через конденсатор 1.7 связи, фильтр 1.10 присоединения, входной фильтр 4.1, промежуточный фильтр 4.2, усилитель 4.3 высокой частоты поступает на вход демодулятора 4.4 значений полезной составляющей манипулированного сигнала частотой 300-600 Гц и далее в блок 4.5 сигнализации для оповещения дежурного персонала пункта управления, а также на вход блок 4.6 контроля значений несущей высокочастотного сигнала передатчика 3.
Доказательство эффективности
1. По оперативности контроля.
1
2
Эффективность по оперативности θτ определяется отношением времени контроля прототипа τ к времени предлагаемого решения τ
1
2
θτ=τ/τ.
i
0
Оперативность контроля складывается из суммарного времени i-x операций длительностью τ=i·τ соответственно прототипа и инновации
i+1
01
02
Предполагая для простоты рассуждений равное число операций m=n, тождественность τ и кратность τ=k·τ операций, находим эффективность по оперативности
01
02
θτ=τ/τ=k.
Учитывая, что длительность операций в предлагаемом изобретении за счет автоматизации и телеметрии нормируется не более 1 минуты, а в прототипе не ограничивается часом (60-180 минут) из-за выезда бригады на объект контроля, очевидно значение k=60-180. Следовательно, эффективность по оперативности контроля предлагаемого решения на два порядка выше прототипа за счет автоматизации и телеметрии.
2. По экономичности контроля.
э
1
2
Эффективность по экономичности контроля θ является отношением себестоимости прототипа S к себестоимости инновации S
э
1
2
θ=S/S.
Себестоимость S=T·τ оценивается трудозатратами T за единицу времени τ и регламентируется временем контроля. Предполагая равноценные почасовые трудозатраты на контроль электрооборудования, получаем тождественность эффективностей
э
τ
θ=θ,
1
2
т.к. для T=T:
э
1
1
2
2
01
02
θ=T·τ/T·τ=τ/τ.
1
2
Из этого следует, что S=k·S или себестоимость прототипа в k раз, т.е. в 60-180 раз выше себестоимости предлагаемого решения. Следовательно, эффективность по экономичности в инновации на два порядка выше прототипа за счет автоматизации телеметрического контроля трансформаторов подстанций, организуемого без отключения питающей сети под рабочим напряжением.
Таким образом, использование штатного электрооборудования высокочастотных обработок связи 35 и 110 кВ подстанций, а также передатчика и приемника, связанных высокочастотным трактом по воздушной линии электропередачи 110 кВ, в отличие от прототипа, позволяет в предлагаемом решении повысить на два порядка оперативность и снизить на два порядка себестоимость контроля состояния изоляции силовых трансформаторов за счет автоматизации и телеметрического анализа силового оборудования подстанций в рабочем режиме без отключения напряжения сети. Это позволяет непрерывно систематизировать и прогнозировать качество электрооборудования и повысить эффективность эксплуатации электрических сетей.