УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИФРОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПО ПАРАМЕТРАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В ИЗОЛЯЦИИ
TECHNICAL MONITORING DEVICE OF DIGITAL TRANSFORMER BY PARAMETERS OF PARTIAL DISCHARGES IN INSULATION

Предлагаемое изобретение относится к технике высоких напряжений и может быть использовано для диагностики технического состояния цифровых трансформаторов по параметрам частичных разрядов в изоляции.
Широко известны цифровые трансформаторы тока и напряжения (например «Цифровой трансформатор тока и напряжения» по патенту на полезную модель №174411, МПК G01R 19/00, 2017 г., «Высоковольтное комбинированное цифровое устройство для измерения тока и напряжения» по патенту на полезную модель №159201 МПК G01R 19/00,, 2017 г. и др.) включающие содержащий питающий электромагнитный трансформатор, измерительный электромагнитный трансформатор тока, магнитотранзисторный преобразователь и пояс Роговского, охватывающие токопровод с измеряемым током, цилиндрический шунт с внутренней полостью, включенный в рассечку токопровода и первичный преобразователь напряжения помещенный внутрь опорного изолятора. Цифровые измерительные трансформаторы предназначены для преобразования величин тока и напряжения в первичных цепях в цифровой код во вторичных цепях, содержащий информацию о мгновенных значениях тока и напряжения, которые используются для целей измерения, определения параметров качества электроэнергии, учета электроэнергии, релейной защиты и автоматики. При лабораторных, приемо-сдаточных испытаниях, а также в процессе эксплуатации изоляция цифровых измерительных трансформаторов подвергается воздействию высокого напряжения. При этом внутри изоляции, на границах раздела изоляционных материалов и вблизи проводящих частей возможно возникновение разрядных процессов различной интенсивности с различными механизмами развития. Некоторые из этих разрядов связаны с процессами ионизации околокатодного или околоанодного пространства или представляют собой поверхностные разряды, другая часть является следствием низкого качества изготовления изоляционных материалов или следствием развития внутреннего дефекта изоляции. Особую опасность для измерительных трансформаторов представляют именно внутренние частичные разряды, которые вызывают деградацию изоляции. Данные разряды начинаются как локальные перекрытия дефектных зон диэлектрика и со временем могут вызвать пробой изоляции.
Таким образом, для обеспечения надежной работы цифровых трансформаторов тока и напряжения и предотвращения аварий, связанных с повреждением изоляции от частичных разрядов, необходимо осуществлять мониторинг разрядных процессов, определять их количественные и качественные характеристики, тенденции развития.
Известна система мониторинга частичных разрядов в электрической системе (Патент на изобретение РФ №2532142 «Способ и система мониторинга частичных разрядов», МПК G01R 31/12 (2006.01), 2014 г), содержащая: базу данных для хранения множества спектров отказов; контрольный модуль для отслеживания приема электрической системой импульсов; аналого-цифровой преобразователь для преобразования импульса из аналогового в цифровой сигнал; проверочный модуль для проверки достоверности принятого импульса путем идентифицирования, является ли импульс шумом или дублированным сигналом; детектор максимального уровня для определения значения максимального уровня принятого импульса; модульный генератор частотного спектра, способный генерировать частотный спектр импульса, полученного контрольным модулем, путем разбития импульса на две или более частотные составляющие; нормирующий модуль, служащий для нормирования значений максимального уровня каждой из предварительно заданных двух или более частотных составляющих принятого импульса к виду максимального уровня; компаратор, выполненный с возможностью после приема импульса: сравнивать две или более нормализованные частотные составляющие, связанные с принятым импульсом, с другим сохраненным множеством нормализованных предварительно заданных частотных составляющих, связанных с другими импульсами, для идентифицирования сходных импульсов, указывающих известное состояние отказа; если импульс идентифицирован как импульс, указывающий известное состояние отказа, сохранять данные в базе данных, связывая импульс с двумя или более нормализованными частотными составляющими и известным состоянием отказа; группировать спектр отказов импульсов со сходными нормализованными частотными составляющими в диаграмме разброса, сохраняемой в базе данных; если нормализованные частотные составляющие импульса не сходны с нормализованными частотными составляющими текущей группы, создавать новую группу спектра отказов импульсов, сохраняемую в базе данных; и устройство для отображения точки, представляющей максимальный уровень принятого импульса, на диаграмме разброса вместе с точками, представляющими другие идентифицированные сходные максимальные уровни импульса.
К недостаткам данной системы можно отнести отсутствие возможности отслеживания процессов развития величины кажущегося заряда, интенсивности разрядов и энергетических характеристик частичных разрядов, поскольку одно только спектральное содержание записываемых сигналов не дает полного представления о происходящих высокочастотных процессах.
Известно «Устройство мониторинга частичных разрядов» (Патент на изобретение РФ №2505828, МПК G01R 31/12 (2006.01), 2014 г.), содержащее: пиковый детектор для определения максимальных амплитуд импульсов, возникающих в электрической системе; триггерный модуль, выполненный с возможностью определения, превышает ли измеренная максимальная амплитуда импульса нижний порог срабатывания триггера и (или) верхний порог срабатывания триггера, и базу данных, в которой хранится множество импульсов или касающаяся их информация, зарегистрированная триггерным модулем, процессор, рассчитанный по меньшей мере на применение временного сдвига подвижного триггера, модуль преобразования координат для преобразования вектора из прямоугольной системы координат в полярную систему координат.
Недостатком указанного устройства является низкая достоверность результатов из-за отсутствия возможности контроля частотных характеристик высокочастотных всплесков, а так же фазы возникновения относительно питающего напряжения, и возможного наложения сигналов с более низкой или высокой частотой от различного вида естественных разрядных процессов (например, от коронного разряда).
Все вышеперечисленные устройства не пригодны для применения в условиях реальной эксплуатации для определения технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов. Заявителю не известны устройства для контроля технического состояния цифровых трансформаторов по параметрам частичных разрядов в изоляции, обладающие высокой точностью и обеспечивающие достоверность результатов.
В основу изобретения положена задача разработки устройства контроля технического состояния цифровых трансформаторов, основанного на достоверных реальных измерениях расширенного числа признаков однозначно характеризующих вид и количественные характеристики импульсов частичных разрядов, свидетельствующих о развития дефектов внутри изоляции.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности функционирования цифровых трансформаторов за счет точности и своевременности выявления развития дефектов внутри изоляции по параметрам частичных разрядов.
Технический результат достигается тем что, устройство контроля технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции содержит резистивный делитель напряжения, включающий резистивный элемент верхнего плеча и резистивный элемент нижнего плеча, и индуктивный датчик, помещенные внутрь опорного изолятора цифрового трансформатора, снабженного преобразователем тока, фильтр низких частот, фильтр высоких частот, аналого-цифровой преобразователь низкочастотного сигнала, аналого-цифровой преобразователь высокочастотного сигнала, контроллер обработки цифрового сигнала, блок памяти, блок передачи данных, внешнюю базу данных, при этом индуктивный датчик подключен между электростатическим экраном первичной обмотки электромагнитного преобразователя тока и заземленными частями трансформатора и соединен через фильтр высоких частот с аналого-цифровым преобразователем высокочастотного сигнала, который подключен к контроллеру обработки цифрового сигнала, резистивный элемент верхнего плеча и резистивный элемент нижнего плеча резистивного делителя напряжения подключены через фильтр низких частот к аналого-цифровому преобразователю низкочастотного сигнала, подключенному к контроллеру обработки цифрового сигнала, который соединен с блоком памяти, связанным через блок передачи данных, с внешней базой данных.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведено устройство контроля технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции. На фиг. 2 приведено время-частотное распределение высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов. На фиг. 3 приведено амплитудно-фазо-частотное распределение высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и период изменения напряжения промышленной частоты. На фиг. 4 приведены зависимости амплитуды кажущегося заряда и действующего значения промышленной частоты от времени.
Устройство контроля технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции содержит резистивный делитель напряжения, включающий резистивный элемент верхнего плеча 1 и резистивный элемент нижнего плеча 2, и индуктивный датчик 3, помещенные внутрь опорного изолятора 4 цифрового трансформатора, снабженного преобразователем тока 5. Индуктивный датчик 4 подключен между электростатическим экраном 6 первичной обмотки преобразователя тока 5 и заземленными частями трансформатора и соединен через фильтр высоких частот 7 с аналого-цифровым преобразователем высокочастотного сигнала 8. Резистивный элемент верхнего плеча 1 и резистивный элемент нижнего плеча 2 резистивного делителя напряжения подключены через фильтр низких частот 9 к аналого-цифровому преобразователю низкочастотного сигнала 10. Выходы аналого-цифрового преобразователя низкочастотного сигнала 10 и аналого-цифрового преобразователя высокочастотного сигнала 8 подключены к контроллеру обработки цифрового сигнала 11, соединенного с блоком памяти 12, связанного через блок передачи данных 13, с внешней базой данных 14.
Устройство контроля технического состояния цифрового трансформатора по параметрам частичных разрядов в изоляции работает следующим образом. В процессе работы цифрового трансформатора по первичной обмотке преобразователя тока 5 протекает ток нагрузки, при этом относительно заземленных частей к трансформатору приложено фазное напряжение промышленной частоты, которое после масштабного преобразования в резистивном элементе верхнего плеча 1 резистивного делителя напряжения регистрируют в резистивном элементе нижнего плеча 2 резистивного делителя напряжения. Зарегистрированный сигнал подвергают низкочастотной фильтрации в фильтре низких частот 9 для исключения высокочастотных помех и оцифровывают в аналого-цифровом преобразователе низкочастотного сигнала 10. Под воздействием высокого напряжения внутри изоляции, на границах раздела изоляционных материалов и вблизи проводящих частей (например, в изоляции первичной обмотки преобразователя тока, в изоляции вторичной обмотки преобразователя тока от первичной обмотки, в стеклотекстолитовой основе, во внешнем и в основном слоях изоляции) возможно возникновение разрядных процессов. При этом происходит падение напряжения в неоднородностях изоляции и перераспределение заряда между емкостью изоляции и параллельно подключенными к ней емкостями, что формирует высокочастотный ток в электрической цепи, регистрируемый в виде высокочастотного импульса напряжения индуктивным датчиком 3. Зарегистрированный сигнал подвергают высокочастотной фильтрации в фильтре высоких частот 7 для исключения помех и оцифровывают в аналого-цифровом преобразователе высокочастотного сигнала 8. В контроллере обработки цифрового сигнала 11 для оцифрованных сигналов вычисляют фазу высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда относительно напряжения промышленной частоты, амплитуду и полярность высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда, количество высокочастотных импульсов напряжения от тока частичного разряда за период изменения напряжения промышленной частоты, кажущийся заряд, максимальное значение кажущегося заряда за время наблюдения, среднее значение кажущегося заряда за время наблюдения, средние ток и мощность частичных разрядов за период изменения напряжения промышленной частоты, энергию частичного разряда. Так же в контроллере обработки цифрового сигнала 11 производят нормализацию и преобразование Фурье высокочастотного импульса напряжения от тока частичного разряда, вычисляют эффективное время и частоту указанного импульса.
Преобразование Фурье цифрового сигнала производят после определения фазы его возникновения.
Нормализацию цифрового сигнала производят после определения его фазы по выражению:
где
s - i-ая выборка вектора значений сигнала;
N - количество выборок дискретного сигнала. Эквивалентное время рассчитывают по выражению:
где
- спектральная плотность мощности нормализованного сигнала;
i
N - значение i-го отсчета времени. Эквивалентную частоту рассчитывают по выражению
где
ni
i
s(f) - Фурье преобразование нормализованного высокочастотного сигнала;
i
f - i-oe значение частоты дискретного Фурье преобразования.
Полученные результаты вычислений сохраняют в блоке памяти блоком памяти 12 и через блок передачи данных 13 передают во внешнюю базу данных 14. Хранящуюся во внешней базе данных 14 информацию используют при построении время-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов (фиг. 2), при построении на одном графике амплитудно-фазо-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и периода изменения напряжения промышленной частоты (фиг. 3), при построении зависимостей амплитуды кажущегося заряда и действующего значения напряжения промышленной частоты от времени (фиг. 4), обеспечивающих получение более полного представления о происходящих высокочастотных процессах и возможность определения вида разряда. По графику время-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов (фиг. 2) выделяют области разрядов со схожими энергетическими характеристиками. По графику амплитудно-фазо-частотного распределения высокочастотных импульсов напряжения от токов частичных разрядов и периода изменения напряжения промышленной частоты (фиг. 3) для выделенных областей определяют шум и импульсы напряжения других разрядов от различного вида разрядных процессов (например, от коронного разряда). Определяют диапазон фаз возникновения высокочастотных импульсов напряжения, по которому определяют высокочастотные импульсы напряжения от внутренних частичных разрядов. По зависимостям амплитуды кажущегося заряда (сплошная линия на фиг. 4) и действующего значения напряжения промышленной частоты от времени (пунктирная линия на фиг. 4) определяют величину напряжения зажигания частичного разряда и величину кажущегося заряда. Сравнивают величину кажущегося заряда за время наблюдения с пороговым значением (штрих-пунктирная линия на фиг. 4), определенными опытным путем или, например, регламентируемыми ГОСТ 7746-2015 и ГОСТ 1983-2015, по результатам сравнения делают выводы о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять мониторинг разрядных процессов, определять их количественные и качественные характеристики, точно и своевременно выявлять развития дефектов внутри изоляции по параметрам частичных разрядов, предотвращать аварии, связанные с повреждением изоляции от частичных разрядов, обеспечивая повышение надежности функционирования цифровых трансформаторов.