УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОД РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может использоваться на электрических станциях и подстанциях для непрерывного эксплуатационного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением путем измерения токов утечки через ее емкости.
В настоящее время эксплуатационный контроль изоляции проводится с помощью мостов переменного тока путем периодического измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) на напряжении 10 кВ [Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. - М.: 1998, с.198-205]. Недостатками такого контроля являются:
- необходимость вывода оборудования из работы для производства контроля;
- практическая невозможность обнаружения повреждений изоляции на ранней стадии их развития из-за относительно редкого контроля.
Более перспективными являются устройства, осуществляющие контроль состояния изоляции под рабочим напряжением. Такие устройства реализуют следующие способы контроля:
- неравновесно-компенсационный [Сви П. М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992, с.78-82];
- измерение tgδ и емкости изоляции под рабочим напряжением [Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. - М.: 1998, с.69-72.];
- контроль уровня частичных разрядов в изоляции электрооборудования высокого напряжения.
В последние годы также получили распространение устройства, обнаруживающие акустические, тепловые, световые и радиочастотные излучения, а также производящие хроматографический анализ газов, растворенных в масле. С помощью таких устройств осуществляют периодический контроль состояния изоляции. Однако опыт эксплуатации показывает, что развитие дефектов в изоляции маслонаполненного оборудования имеет лавинообразный характер и в ряде случаев от появления первых признаков повреждения до разрушения оборудования проходит не более чем две-три недели. В результате периодический контроль не всегда эффективен. Увеличение частоты контроля связано с загрузкой персонала и по этой причине не всегда возможно. В связи с отмеченным более перспективны устройства, осуществляющие непрерывный контроль изоляции под рабочим напряжением.
Известна система контроля изоляции высоковольтных вводов [Патент России №2145420 от 1997.03.12], содержащая устройство присоединения к высоковольтным вводам трех фаз, выходы которых подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов тока, трансформатор напряжения трехфазной системы высоковольтных шин, выходы которого подключены ко входам соответствующих приборных трансформаторов напряжения, сигнализатор, два фазовращателя (ФВ), подключенные к выходам двух из трех приборных трансформаторов тока, шесть фильтров нижних частот (ФНЧ), мультиплексор, АЦП и микропроцессор, при этом входы двух ФНЧ подключены к выходам соответствующих ФВ, а входы остальных ФНЧ подключены к выходам соответствующих приборных трансформаторов тока и напряжения, выходы всех ФНЧ подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого через АЦП подключен ко входу микропроцессора, выход которого соединен с сигнализаторами. Дополнительной особенностью системы контроля является то, что ФВ осуществляют поворот векторов токов утечки вводов на 120° и 240°.
Недостатком устройства является возможность ложной сигнализации о неисправности ввода при отключении контролируемого присоединения. Это объясняется тем, что за счет емкостных связей в отключенном присоединении могут иметь место токи утечки, достаточные для ложной сигнализации системы контроля о неисправности изоляции высоковольтного ввода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является устройство для автоматического контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования [А.С. СССР №296062].
Данное устройство осуществляет автоматический контроль изоляции под рабочим напряжением путем измерения величины и фазы тока через ее емкость и содержит входной, измерительный и сигнальные блоки, два сумматора, производящие суммирование токов двух контролируемых объектов, а измерительный и сигнальный блоки включены на разность входных токов указанных сумматоров.
В описании изобретения-прототипа приведены теоретические выкладки, доказывающие возможность повышения точности контроля путем повышения помехоустойчивости. Показано, что, благодаря вычитанию суммарных токов утечки двух контролируемых объектов после их предварительного выравнивания, в предложенном авторами прототипе устройства устранено влияние на результаты контроля напряжений нулевой последовательности сети. Однако компенсации помех, обусловленных токами влияний, при этом не происходит. В частности, при отключении контролируемого объекта в его токах утечки имеются только токи влияний, а на входе сумматора второго контролируемого объекта токи влияния могут быть иными (при работающем объекте они близки к нулю). В результате устройство выдаст ложный сигнал о неисправности контролируемого объекта.
Возможность формирования ложного сигнала о неисправности изоляции при отключении контролируемого объекта обоснована ниже.
Токи влияния в изоляции обусловлены в основном емкостной связью между линейными проводами соседних объектов. Емкость влияний можно вычислить по формуле:
0
-12
где ε=ε=8,85·10 Ф/м - диэлектрическая проницаемость воздуха;
l - длина отрезка провода, на которой наводится ЭДС влияний;
D - расстояние между линейным проводом контролируемого объекта и проводом смежного (влияющего) объекта;
R - эквивалентный радиус провода.
вл
из
-12
-12
Для существующих открытых распределительных устройств электростанций и подстанций, например, 330 кВ у обесточенного с обеих сторон отрезка провода диной l=10 м С=46,3·10 Ф. Тогда, например, ток утечки через изоляцию трансформатора тока напряжением 330 кВ, обусловленный влияниями, при емкости изоляции С=700·10 Ф составит 2,6 мА. Ток влияний, как показывает анализ, превышает 6% от нормального тока утечки. Опыт эксплуатации показал, что предельно допустимое изменение тока утечки трансформатора тока напряжением 330 кВ не превышает 2%. Таким образом, устройство выдаст ложный сигнал о неисправности изоляции контролируемого объекта.
В нормальных условиях (при включенном контролируемом объекте) емкостная проводимость его изоляции шунтируется сопротивлениями фаз трансформаторов и автотрансформаторов электростанции или подстанции относительно земли и ток влияний, как показывает расчет, составляет не более 0,001% от нормального тока утечки.
Задачей полезной модели является создание устройства непрерывного контроля изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением, вызывающего доверие эксплуатационного персонала к данным, получаемым от этого устройства, за счет повышения его селективности.
Техническим результатом, получаемым при использовании предложенного устройства, является повышение эффективности распознавания на ранней стадии развития повреждений изоляции контролируемого объекта, что, в свою очередь, исключает возможность его внезапного отказа и исключает ложную сигнализацию устройства непрерывного контроля изоляции, обусловленную токами влияний при отключении контролируемого объекта, а также повреждениями (короткими замыканиями или обрывами) входных цепей указанного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для непрерывного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением, содержащее входной блок, сумматор, входы которого подключены к выходам входного блока, первый измерительный и первый сигнальный блоки, подключенные к выходу сумматора, дополнительно введены второй измерительный блок, подключенный к выходу сумматора, три пороговых элемента и мини-селектор, входы которых подключены к выходам
входного блока, четыре элемента И, четыре элемента НЕ, элемент ЗАПРЕТ и второй сигнальный блок, причем выходы сумматора и мини-селектора подключены, соответственно, к первому и второму входам первого и второго измерительных блоков, выходы трех пороговых элементов подключены, соответственно, к первым входам первого, второго и третьего элементов И через первый, второй и третий элементы НЕ, вторые входы первого, второго и третьего элементов И подключены к выходу второго измерительного блока, кроме того, выходы всех пороговых элементов подключены к входам четвертого элемента И, выход которого через четвертый элемент НЕ подключен к блокирующему входу элемента ЗАПРЕТ, вход и выход которого включены между выходом первого измерительного блока и входом первого сигнального блока, а выходы первого, второго и третьего элементов И подключены к входам второго сигнального блока.
A
В
C
На фигуре приведена функциональная схема предлагаемого устройства 1. Трехфазный контролируемый объект 2 (в дальнейшем - контролируемый объект), представленный тремя проводимостями (Y) - 3, (Y) - 4, (Y) - 5, подключен к трехфазному питающему напряжению , , . Входной блок 6 устройства 1 содержит в своем составе измерительные преобразователи токов утечки фаз А, В, С контролируемого объекта (ИПА) - 7, (ИПВ) - 8, (ИПС) - 9 (например, резистивные шунты или промежуточные трансформаторы тока), которые подключены первичной стороной в цепи токов утечки фаз контролируемого объекта, а вторичной - к входам сумматора (Σ) - 10. К выходу сумматора 10 подключен первый вход первого измерительного блока (ИБ1) - 11, выход которого через дополнительные связи подключен к входу первого сигнального блока (СБ1) - 12. К выходу сумматора 10 подключен также первый вход второго измерительного блока (ИБ2) - 13. К выходам измерительных преобразователей токов утечки фаз А, В, С контролируемого объекта (ИПА) - 7, (ИПВ) - 8, (ИПС) - 9 подключены также входы трех пороговых элементов фаз А, В, С (ПЭА) - 14, (ПЭВ) - 15, (ПЭС) - 16, соответственно, и мини-селектора (MIN) - 17 токов утечки трех фаз контролируемого объекта, выход которого подключен ко вторым входам измерительных блоков (ИБ1) - 11 и (ИБ2) - 13. Выходы трех пороговых элементов (ПЭА) - 14, (ПЭВ) - 15, (ПЭС) - 16 подключены, соответственно, к первым входам первого, второго и третьего элементов И - 18, 19 и 20, а также к входам четвертого элемента И - 21, причем первые входы элементов И - 18, 19 и 20 связаны с выходами пороговых элементов (ПЭА) - 14, (ПЭВ) - 15 и (ПЭС) - 16 через первый, второй и третий элементы НЕ - 22, 23, 24. Вторые входы элементов И - 18, 19 и 20 подключены к выходу второго измерительного блока (ИБ2) - 13. Выход четвертого элемента И - 21 через четвертый элемент НЕ - 25 подключен к блокирующему входу элемента ЗАПРЕТ - 26, вход и выход которого включены между выходом первого измерительного блока (ИБ1) - 11 и входом первого сигнального блока (СБ1) - 12. Выходы первого, второго и третьего элементов
И - 18, 19 и 20 подключены к входам второго сигнального блока (СБ2) - 27.
Устройство 1 работает следующим образом.
A
B
C
В нормальном режиме работы исправного контролируемого объекта 2 по проводимостям фаз (Y) - 3, (Y) - 4, (Y) - 5 протекают токи утечки фаз , , . Во входном блоке 6 устройства 1 измерительными преобразователями токов утечки фаз А, В, С 7, 8, 9 контролируемого объекта 2 указанные токи преобразуются к уровням, удобным для дальнейшей обработки. Сигналы, пропорциональные токам утечки фаз, суммируются сумматором (Σ) - 10. Получающийся при этом сигнал небаланса мал, а отношение γ сигнала на выходе сумматора 10 к сигналу на выходе мини-селектора 17 не превышает уровня срабатывания первого и второго измерительных блоков (ИБ1) - 11 и (ИБ2) - 13; на выходах измерительных блоков (ИБ1) - 11 и (ИБ2) - 13 сигналы равны 0. Пороговые элементы (ПЭА) - 14, (ПЭВ) - 15 и (ПЭС) - 16 находится в сработанном состоянии; на выходах первых трех элементов И - 18, 19 и 20 сигналы равны нулю из-за наличия элементов НЕ - 22 23 и 24, а также потому, что на выходе второго измерительного блока 13 сигнал равен нулю. На выходе четвертого элемента И - 21 сигнал равен 1; из-за наличия четвертого элемента НЕ - 25 на блокирующем входе элемента ЗАПРЕТ - 26 сигнал отсутствует, внутренний ключ элемента ЗАПРЕТ - 26 замкнут. Первый сигнальный блок 12 находится в несработанном состоянии, так как на выходе первого измерительного блока 11 сигнал равен нулю, сигнализация о неисправности контролируемого объекта 2 отсутствует. Сигнал на выходе второго сигнального блока 27 о коротком замыкании или обрыве цепей входного блока 6 устройства 1 также отсутствует.
При недопустимом ухудшении изоляции одной или двух фаз контролируемого объекта 2, находящегося под рабочим напряжением, сигнал небаланса на выходе сумматора 10 увеличивается, отношение γ сигнала на выходе сумматора 10 к сигналу на выходе мини-селектора 17 превышает уровень срабатывания первого измерительного блока (ИБ1) - 11, составляющий 0,01...0,08 относительных единиц. Уровень срабатывания второго измерительного блока (ИБ2) - 13 составляет 0,5...1,0 относительных единиц, поэтому второй измерительный блок (ИБ2) - 13 не срабатывает. Так как токи утечки во всех фазах превышают пороги срабатывания пороговых элементов 14, 15 и 16, то последние срабатывают и на выходе четвертого элемента И - 21 сигнал равен 1. Благодаря наличию элемента НЕ - 25 внутренний ключ элемента ЗАПРЕТ - 26 замкнут и первый сигнальный блок 12 выдает сигнал о неисправности контролируемого объекта 2. Благодаря несрабатыванию второго измерительного блока 13 и наличию элементов НЕ - 22, 23 и 24 сигналы на выходах элементов И - 18, 19 и 20 отсутствуют и на выходе второго сигнального блока 27 не возникает сигнал о неисправности цепей входного блока.
В случае отключения контролируемого объекта 2 от питающего напряжения , ,  с на выходе сумматора 10 может появиться сигнал, обусловленный токами влияний и превышающий порог срабатывания первого измерительного блока 11. Однако при этом ни один из токов утечки фаз не превышает порогов срабатывания пороговых элементов 14, 15 и 16. Благодаря этому на выходе четвертого элемента И - 21 сигнал равен нулю. На выходе элемента НЕ 25 появляется сигнал, равный 1, что вызывает размыкание внутреннего ключа элемента ЗАПРЕТ 26 и первый сигнальный блок 12 не выдает ложный сигнал о неисправности контролируемого объекта 2. Второй сигнальный блок 27 также не выдает ложный сигнал о неисправности цепей входного блока 6 устройства 1, так как сигнал на выходе второго измерительного блока 13 равен нулю и, соответственно, на выходах трех первых элементов И - 18, 19 и 20 сигналы равны нулю.
В случае обрыва или короткого замыкания цепей во входном блоке 6 устройства 1 (цепей одного или двух измерительных преобразователей токов утечки фаз 7, 8, 9) в нормальном режиме работы контролируемого объекта 2 с исправной изоляцией отношение γ существенно превышает порог срабатывания первого измерительного блока 11 и достаточно для срабатывания второго измерительного блока 13. Сигналы на выходах указанных блоков 11 и 13 равны 1. Однако при этом не срабатывают один или два из пороговых элементов 14, 15, 16, а именно - подключенные к измерительным преобразователям (из 7, 8, 9) с поврежденными цепями, благодаря чему внутренний ключ элемента ЗАПРЕТ - 26 разомкнут, и на выходе первого сигнального блока 12 нет ложного сигнала о неисправности изоляции контролируемого объекта 2. На выходе одного или двух из трех элементов И - 18, 19, 20, а именно, связанных с измерительными преобразователями (из 7, 8, 9) токов утечки исправного контролируемого объекта 2, имеющими поврежденные цепи, появляется сигнал, равный единице. Благодаря этому второй сигнальный блок 27 выдает сигнал о неисправности цепей входного блока 6 устройства 1.
Другие режимы работы контролируемого объекта 2 и устройства 1, например, сочетание повреждения цепей входного блока 6 и отключенного состояния указанного объекта или сочетание повреждения цепей входного блока 6 и работы контролируемого объекта 2 с ухудшенной изоляцией не рассматриваются, так как такие режимы являются редкими событиями, что не трудно показать с помощью методов теории вероятностей.
Таким образом, предложенное устройство для непрерывного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования под рабочим напряжением не действует ложно из-за токов влияний при отключенном состоянии контролируемого объекта и сигнализирует о неисправности цепей во входном блоке устройства в нормальном режиме работы контролируемого объекта с исправной изоляцией.
Предлагаемое устройство обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
- максимальная простота устройства, что достигнуто за счет измерения токов утечки изоляции фаз контролируемого объекта и сигнала небаланса (а не измерения, например, высокочастотных токов частичных разрядов или сравнения характеристик контролируемого объекта и эталона);
- сигнализация о недопустимом ухудшении изоляции различного высоковольтного оборудования (маслонаполненные вводы трансформаторов и выключателей, маслонаполненные трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и ограничители перенапряжений);
- отсутствие ложной сигнализации при несимметричных повреждениях в высоковольтной сети, что достигнуто за счет выдержки времени, превышающей максимальное время срабатывания резервных релейных защит сети;
- отсутствие ложной сигнализации, обусловленной токами влияний при отключении контролируемого объекта от питающей сети;
- наличие сигнализации о неисправности цепей входного блока устройства в нормальном режиме работы контролируемого объекта, имеющего исправную изоляцию.