АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-СТЕРЖНЕВОЙ ФАРФОРОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ
AUTOMATED METHOD FOR DIAGNOSTICS OF TECHNICAL STATE OF SUPPORT-ROD PORCELAIN INSULATION IN DIGITAL SUBSTATIONS

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к способам диагностики технического состояния опорно-стержневых фарфоровых изоляторов трансформаторных и тяговых подстанций без вывода из работы.
Проблема надежности силового оборудования, выработавшего нормативный срок службы, является очень актуальной, при оптимизации затрат единовременно пополнить парк новым оборудованием затруднительно [1].
Основной причиной отказов и аварий силового оборудования на трансформаторных и тяговых подстанциях, безусловно, является физический и моральный износ данного оборудования.
Опорно-стержневая фарфоровая изоляция (колонки разъединителей, разрядники, высоковольтные ввода, гирлянды изоляторов ВЛ и др.) - наибольшая составляющая оборудования электроэнергетических подстанций, которая подвергается износу. В процессе длительной эксплуатации опорно-стержневых фарфоровых изоляторов (ОСИ) вследствие воздействия внешних факторов (влага, перепады температур, механические нагрузки) и внутренних факторов (нарушение технологии изготовления и качество исходных материалов), в объеме изоляционной детали фарфорового изолятора образуются трещины, что приводит к разрушению изолятора под нагрузкой.
Актуальность диагностики и своевременной замены опорно-стрежневой фарфоровой изоляции обусловлено рядом факторов:
1. Предотвращение технологического нарушения, что является основным показателем надежности в электроэнергетике;
2. Безопасность обслуживающего персонала подстанции;
3. Оптимизация понесенных затрат на эксплуатацию подстанции и упущенной выгоды от профилактических и аварийных ремонтов ее оборудования.
Известен способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния высоковольтных изоляторов. При диагностике изолятора осуществляют бесконтактный прием импульсных сигналов частичных разрядов электромагнитным приемником (Патент RU №2679759 МПК G01R 31/12. Опубликовано: 12.02.2019 Бюл. №5).
Недостатком способа является использование узконаправленной электромагнитной антенны и приемника. Большое количество оборудования, используемого в работе подстанции, создает помехи при передаче сигналов, тем самым снижает надежность системы диагностики.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является способ диагностики, сущность которого заключается в воздействии на изолятор посредством возбудителя вибраций и оценки сигнала отклика изолятора по уровню основного тона (Патент RU №2275647, МПК G01R 31/00. Опубликовано: 27.04.2006, Бюл. №12).
Достоинством известного устройства является возможность производить диагностику без вывода оборудования из работы.
Недостатком рассматриваемого способа является отсутствие автоматизации процесса диагностики изоляторов и продолжительное время обслуживания при эксплуатации опорно-стержневой изоляции.
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить эти недостатки.
Задачами заявляемого изобретения является:
1) Обеспечение диагностики опорно-стержневой изоляции в режиме реального времени;
2) Снижение аварийных выходов оборудования из строя на электроэнергетических подстанциях;
3) Безопасность обслуживаемого персонала при включении и/или отключении высоковольтного оборудования электроэнергетической подстанции.
Техническим результатом изобретения является предупреждение технологических нарушений в режиме реального времени при включении и/или отключении разъединителей на электроэнергетических подстанциях для сокращения времени технического обслуживания.
Настоящий технический результат достигается посредством автоматизированного способа диагностики технического состояния опорно-стержневой фарфоровой изоляции на цифровых подстанциях. Воздействие на изолятор происходит посредством возбудителя вибрации, после чего оценивается сигнал отклика изолятора со спектральной плотностью и измеряется ее уровень с пиком основного тона, причем сигнал о состоянии каждого опорного фарфорового изолятора поступает посредством информационного обмена по протоколу МЭК 61850-9-2LE между микропроцессорными комплексами на автоматизированное рабочее место (АРМ) персонала электроэнергетической подстанции в режиме реального времени, где оценивается отклонение от показаний предыдущих откликов и прогнозируется по времени критическое состояние каждого изолятора. С помощью встроенного самонастраивающегося обучающего элемента программного комплекса, в составе системы SCADA, задается увеличение или уменьшение интервалов времени контроля состояния опорных изоляторов, для уточнения прогноза их профилактической замены и сокращения времени технического обслуживания ОСИ, которые оперативно выделяют в критическую группу замены.
Отличительными признаками являются:
в качестве самонастраивающегося обучающего элемента системы SCADA используется встроенный программный комплекс;
в основу программного комплекса, в составе системы SCADA, заложен принцип прогнозирования с помощью искусственной нейронной сети (ИНС), которая включает в себя:
- краткосрочное прогнозирование с упреждением on-line до 10-15 суток;
- среднесрочное прогнозирование с упреждением от 20 до 60 дней;
- долгосрочное прогнозирование с упреждением до 1,5 лет;
сигнал о состоянии опорного фарфорового изолятора на АРМ персонала электроэнергетической подстанции поступает посредством информационного обмена по протоколу МЭК 61850-9-2LE между микропроцессорными комплексами в режиме реального времени по каждому изолятору, это дает возможность предупреждения технологических нарушений в on-line режиме при включении и/или отключении разъединителей на электроэнергетических подстанциях;
на АРМ посредством программного комплекса, в составе системы SCADA, на основе искусственной нейронной сети оценивают отклонение с показаниями предыдущих откликов и прогнозируют по времени критическое состояние каждого изолятора, что позволяет достаточно точно определить время замены изолятора;
на АРМ с помощью встроенного самонастраивающегося обучающего элемента программного комплекса, в составе системы SCADA, задают увеличение или уменьшение интервалов времени контроля состояния опорных изоляторов, для уточнения прогноза их профилактической замены и сокращения времени технического обслуживания;
опорные изоляторы, которые посредством прогноза ИНС не соответствуют заданным показателям технической надежности и эталонным значениям спектральной формы, выделяют в критическую группу замены;
при автоматизированном контроле ОСИ с помощью ИНС появляется возможность перехода от планово-предупредительного ремонта к ремонту по техническому обслуживанию.
Сравнение заявляемого решения с аналогами и прототипом, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
На чертеже приведена схема диагностики технического состояния опорно-стержневых фарфоровых изоляторов в системе сбора, обработки, отображения и мониторинга данных SCADA в реальном времени, включающая: 1 - опорно-стрежневой фарфоровый изолятор; 2 - излучатель звуковых колебаний; 3 - акселерометр; 4 - блок принимающий отклик; 5 - информационный обмен по протоколу МЭК 61850-9-2LE между микропроцессорными комплексами; 6 - блок отображения и архивирования информации об изоляторах; 7 - автоматизированное рабочее место; 8 - система SCADA.
Автоматизированный способ диагностики технического состояния опорно-стержневой изоляции на цифровых подстанциях осуществляется следующим образом.
На опорно-стрежневые фарфоровые изоляторы 1 устанавливают излучатель звуковых колебаний 2 и акселерометр 3. Акселерометром является измерительное устройство, предназначенное для измерения состояния тела изолятора по спектральной плотности мощности вибрации [3; 4, с. 11].
Излучателем звуковых колебаний (акустический излучатель) называется устройство, предназначенное для возбуждения акустических волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели звука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида [5]. На излучатель 2 при помощи генератора звуковых колебаний подают сигнал в диапазоне частот 500-20000 Гц. Акселерометр 3 регистрирует показания, обрабатывает сигнал, в результате которого получают частотную характеристику изолятора. Данные передаются на блок принимающего отклика 4, после чего по протоколу МЭК 61850-9-2LE происходит информационная передача 5 в блок отображения и архивирования информации об изоляторах 6, далее на автоматизированное рабочее место 7 персонала электроэнергетической подстанции посредством совокупной системы SCADA 8.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) - это программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления [6].
В блоке принятия решения 4, по заданному алгоритму обрабатывается частотная характеристика изолятора по форме спектральной плотности мощности вибрации. Сигнал о состоянии каждого опорного фарфорового изолятора подают на автоматизированное рабочее место 7 персонала электроэнергетической подстанции в режиме реального времени.
На АРМ 7 посредством программного комплекса, в составе системы SCADA, на основе искусственной нейронной сети оценивают отклонение с показаниями предыдущих откликов и прогнозируют по времени состояние каждого изолятора используя данные блока 6 отображения и архивирования информации об изоляторах, с представлением на экране таблицы с убыванием показателя критического состояния. На АРМ 7 по специальному алгоритму с самонастраивающимися обучающими элементами системы SCADA 8 задаются интервалы времени технического контроля опорных изоляторов для уточнения прогноза профилактической их замены, в условиях нелинейного изменения показателя критического состояния. По уточненным данным таблицы [7] убывающих показателей критического состояния изоляторов принимается решение вышестоящим оперативным персоналом субъекта электроэнергетики о критичном изоляторе, включенном в группу замены, с целью оперативной оптимизации опорных фарфоровых изоляторов на данной подстанции.
Источники информации
1. Луковенко А.С. Повышение надежности оборудования электрических подстанций тягового электроснабжения при работе в критических режимах / А.С. Луковенко, P.M. Христинич // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2016. - №2. - С. 36-40. - ISSN 1995-5685.
2. Патент RU №2679759, МПК G01R 31/12. Опубликовано: 12.02.2019, Бюл. №5.
3. Патент RU №2275647, МПК G01R 31/00. Опубликовано: 27.04.2006, Бюл. №12.
4. ГОСТ 18955-73 Акселерометры низкочастотные линейные. Термины и определения.
5. Излучатели звука // URL: http://knowledge.Su/i/izluchateli-zvuka.
6. SCADA // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/SCADA.
7. ЦЭ/ N 197-5/3 Технологические карты на работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог. Книга I. Капитальный ремонт ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА N 6.20.