УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
REMOTE CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC-POWER EQUIPMENT

Изобретение относится к области неразрушающего контроля электрических повреждений и может быть использовано для обнаружения и определения местоположения электрических разрядов различной физической природы (искровые, дуговые и коронные) и сопутствующих им дефектов в системах электроэнергетического оборудования.
Известно устройство ультразвукового контроля высоковольтных изоляторов под напряжением, содержащее ультразвуковой детектор, оптический визир, световой индикатор, диктофон, блоки лазерной наводки, АРУ, обработки, памяти и связи с компьютером (патент РФ 2262100, G01N 29/04, опубл. 10.10.2005).
Недостатками устройства является его сложность и ограниченная область применения.
Известен также способ определения состояния изоляции и места ее повреждения (патент РФ №2207581, G01R 31/08, опубл. 10.03.2003), основанный на приеме электромагнитного излучения и реализуемый с помощью устройства, содержащего широкодиапазонную и низкочастотную антенны, перестраиваемый полосовой и сетевой фильтры, амплитудный детектор, два усилителя и устройство обработки.
Недостатками указанного технического решения являются низкая помехозащищенность и ограниченная область применения, обусловленная необходимостью предварительного создания библиотеки эталонных диагностических признаков для каждого вида и местоположения дефектов, типа и конструктивного исполнения линии, удаленности от места измерения и т.д.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство (патент США 4439723, G01R 31/02, опубл. 27.03.1984), использующее акустическое и электромагнитное излучения и содержащее антенну с входной цепью, ультразвуковой преобразователь, высокочастотный дроссель, шунтирующий выключатель, широкополосный усилитель, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты с регулятором громкости, звуковой индикатор огибающей сигнала.
Недостатком указанного технического решения является невозможность надежного дистанционного обнаружения различных дефектов по создаваемому ультразвуковому и электромагнитному излучениям в условиях наличия широкополосного шумового фона указанных излучений на реальных объектах, маскирующего полезный сигнал и затрудняющего достоверное выявление и распознавание дефектов.
Это объясняется тем, что реализуемый в известном устройстве алгоритм формирования контролируемого параметра при приеме и акустического, и электромагнитного излучений обеспечивает выдачу оператору только звукового отображения сигнала огибающей, т.е. модулирующей функции принимаемых спектральных составляющих указанных излучений. При этом информация об уровне несущей принимаемых сигналов, характеризующем мощность излучений, теряется. Это ограничивает возможности оператора в обнаружении, сопоставлении и анализе различных диагностических признаков распознаваемых дефектов и, в конечном итоге, обуславливает низкую достоверность контроля с помощью известного устройства и ограниченную область его применения.
К таким же последствиям приводит и настройка известного устройства на прием только одной фиксированной спектральной составляющей и для акустического, и для электромагнитного излучений, а также отсутствие в устройстве-прототипе эффективной фильтрации составляющих информативного сигнала, обуславливающей низкую помехозащищенность тракта формирования контролируемых параметров в условиях воздействия мощных электромагнитных и акустических помех, существующих на реальных объектах.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения достоверности контроля и расширения области применения за счет устранения указанных недостатков устройства-прототипа.
Технический результат предлагаемого решения заключается в реализации возможности одновременной индикации как уровня информативной составляющей спектра, так и сигнала ее огибающей для различных по частоте составляющих спектра акустического и электромагнитного излучений.
Поставленная задача решается тем, что устройство бесконтактного контроля электроэнергетического оборудования, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, антенну с входной цепью, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты с регулятором и блок индикации огибающей сигнала, снабжено предварительным и антенным усилителями, коммутатором, двойным балансным смесителем и гетеродином с цепями управления частотой, фильтром и усилителем промежуточной частоты, фильтром нижних частот, преобразователем средневыпрямленных значений, блоками управления и индикации уровня сигнала, причем выход пьезоэлектрического преобразователя соединен со входом предварительного усилителя, вход антенного усилителя с антенной, а выходы усилителей соединены со входами коммутатора, выход последнего соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход соединен со входом фильтра промежуточной частоты, выход которого соединен со входом усилителя промежуточной частоты, выход усилителя промежуточной частоты соединен со входами амплитудного детектора и преобразователя средневыпрямленных значений, выход которого соединен с блоком индикации уровня сигнала, выход амплитудного детектора соединен со входом фильтра нижних частот, выход последнего соединен со входом усилителя низкой частоты, а выходы блока управления соединены с цепями управления частотой гетеродина и управляющим входом коммутатора.
Введение предварительного и антенного усилителей, коммутатора, двойного балансного смесителя, гетеродина с цепями управления частотой, фильтра и усилителя промежуточной частоты, фильтра нижних частот, преобразователя средневыпрямленных значений, блоков управления и индикации уровня сигнала, и новые взаимосвязи элементов устройства позволяют реализовать электронные тракты, обладающие высокой частотной избирательностью, возможностью приема различных спектральных составляющих, обеспечивающие одновременное формирование и индикацию двух диагностических параметров как для акустического, так и для электромагнитного сигналов, что в конечном итоге обеспечивает достижение поставленной задачи.
На прилагаемой схеме изображено предлагаемое устройства с использованием следующих обозначений:
1 - пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП);
2 - предварительный усилитель (ПУ);
3 - антенна с входной цепью;
4 - антенный усилитель (АУ);
5 - коммутатор;
6 - двойной балансный смеситель (ДБС);
7 - фильтр промежуточной частоты (ФПЧ);
8 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
9 - амплитудный детектор (АД);
10 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
11 - усилитель низкой частоты с регулятором (УНЧ);
12 - блок индикации огибающей сигнала (БИО);
13 - преобразователь средневыпрямленных значений (ПСВ);
14 - блок индикации уровня сигнала (БИУ);
15 - гетеродин с цепями управления частотой;
16 - блок управления (БУ);
17 - зонд акустический (ЗА);
18 - зонд электромагнитный (ЗЭМ).
Устройство содержит последовательно соединенные ПЭП 1 и ПУ 2, а также антенну 3 и АУ 4, причем выходы ПУ и АУ соединены со входами коммутатора 5, а его выход соединен с первым (сигнальным) входом ДБС 6. Выход гетеродина 15 с цепями управления частотой соединен со вторым (гетеродинным) входом ДБС 6, выход ДБС соединен со входом ФПЧ 7, а его выход соединен со входом УПЧ 8. Выход УПЧ соединен со входами АД 9 и ПСЗ 13, выход последнего соединен со входом БИУ 14. Выход АД соединен со входом ФНЧ 10, выход которого соединен со входом УНЧ 11, а выход последнего с БИО 12.
Как известно, сопутствующие различным дефектам, например, дефектам изоляции электрические разряды генерируют широкополосные акустические и электромагнитные излучения, которые несут информацию о наличии дефекта. Функционирование предлагаемого устройства, использующего указанные излучения, осуществляется следующим образом.
Акустический сигнал преобразуется ПЭП 1 в электрический, который после его усиления в ПУ 2 поступает на один из входов коммутатора 5. Блоки 1 и 2 выполняются в виде конструктивно законченного сменного модуля - зонда (ЗА 17), подключаемого к остальной части электрической схемы устройства с помощью стандартного электрического разъема.
В качестве ПЭП для ЗА применяют пьезоэлектрические преобразователи (ультразвуковые микрофоны), предназначенные для работы в воздушной среде, имеющие один или несколько явно выраженных максимумов амплитудно-частотной характеристики на фиксированных частотах приема ультразвукового излучения в диапазоне, примерно, (20-200) кГц, обозначаемых как fиi и используемых в качестве информативных составляющих спектра контролируемого ультразвукового излучения. Входящие в комплект устройства сменные ЗА отличаются различными характеристиками, например, значениями частоты fиi, диаграммой направленности, конструктивным исполнением и т.д., но за счет выбора параметров ПУ имеют унифицированные выходные характеристики, обеспечивающие оптимальное сопряжение различных зондов с остальной частью электрической схемы устройства.
Для повышения чувствительности, а следовательно, и увеличения дальности обнаружения источников акустического излучения зонд может снабжаться параболическим концентратором. При этом зонд монтируется на концентраторе таким образом, чтобы чувствительный элемент ПЭП располагался в фокусе концентратора.
Электромагнитное излучение воспринимается антенной 3 и после его усиления в АУ 4 поступает на другой вход коммутатора 5. Блоки 3 и 4 также выполняются в виде конструктивно законченного сменного зонда (ЗЭМ 18), подключаемого к остальной части электрической схемы устройства с помощью стандартного электрического разъема. В качестве антенн для ЗЭМ используются различные типы малогабаритных антенн, например ферритовые, рамочные и т.д., с соответствующей входной цепью (преселектором), обеспечивающих эффективный прием электромагнитных излучений в фиксированных частотных поддиапазонах и суммарно перекрывающих общий диапазон, примерно, (1-300) МГц. В качестве информативных составляющих спектра контролируемого электромагнитного излучения, обозначаемых как fиj, используются наиболее характерные составляющие с учетом специфики объекта контроля и вида типичных дефектов. Входящие в комплект устройства сменные ЗЭМ отличаются различными характеристиками, например, значениями частоты fиj, диаграммой направленности, конструктивным исполнением и т.д., но за счет выбора параметров АУ имеют унифицированные выходные характеристики, обеспечивающие оптимальное сопряжение различных зондов с остальной частью электрической схемы устройства.
Для удобства работы в полевых условиях фиксация ЗЭМ и ЗА производится с помощью штатива.
В зависимости от положения коммутатора 5, управляемого с БУ 16, на сигнальный вход ДБС 6 будет поступать сигнал либо с ЗА 17 (режим - «контроль акустический»), либо с ЗЭМ 18 (режим - «контроль электромагнитный»). Одновременно на гетеродинный вход ДБС 7 поступает сигнал с выхода гетеродина 15 с частотой fгq.
Для реализации возможности применения различных зондов (ЗА и ЭМЗ) необходимо обеспечить выделение спектральных составляющих, значения частот fиi и fиj которых будут находиться в вышеуказанных диапазонах для акустического и электромагнитного излучений. При выборе значения промежуточной частоты fпp, определяемой как модуль разности значений fгq и fиi или fиj, равным, например, 455 кГц, перестройкой частоты гетеродина в диапазоне (475-655) кГц обеспечивается перекрытие указанного частотного диапазона контролируемого акустического излучения, а перестройкой частоты гетеродина в диапазоне (0,545-299,545) МГц обеспечивается перекрытие указанного частотного диапазона контролируемого электромагнитного излучения.
В результате взаимодействия указанных сигналов в ДБС 7 с его выхода на вход ФПЧ 8 вместе со спектральной составляющей с частотой fпp, амплитуда которой пропорциональна уровню сигнала на частотах fиi или fиj, будут также поступать другие спектральные составляющие, являющиеся продуктами преобразования сигналов с частотами fиi или fиj и fгq в ДБС. Применение двойного балансного смесителя обеспечивает подавление в выходном сигнале некоторых побочных продуктов преобразования в широком динамическом диапазоне входных сигналов и при низком уровне собственных шумов. Сигналы с частотами fгq подавляются с помощью высокодобротного ФПЧ, например пьезокерамического фильтра.
С выхода ФПЧ сигнал с частотой fпp поступает на на вход УПЧ 8 и после усиления в нем на входы АД 9 и ПСВ 13. ПСВ осуществляет преобразование сигнала промежуточной частоты в пропорциональный ему по уровню средневыпрямленного значения сигнал напряжения постоянного тока. ПСВ, как правило, включает в себя формирователь модуля входного сигнала и усредняющий фильтр нижних частот, осуществляющий выделение постоянной составляющей сигнала. Выходной сигнал ПСВ поступает на БИУ 14 например, светодиодный индикатор уровня, для визуальной индикации уровня информативной составляющей контролируемых излучений.
Выходной сигнал УПЧ поступает также на входы АД 9, причем АД выполняет операцию демодуляции, т.е. выделение сигнала огибающей промежуточной частоты, который через ФНЧ 10, частота среза которого определяется верхней частотой спектра огибающей, поступает на вход УНЧ 11 и далее в БИО 12 для индикации сигнала огибающей спектра информативной составляющей. В простейшем варианте реализации предлагаемого устройства БИО содержит головные телефоны и разъем, связанный с выходом УНЧ, например через согласующий трансформатор, что обеспечивает возможность подключения внешних приборов к выходу УНЧ, например, осциллографа, анализатора спектра, регистратора и т.п.
Отметим, что УНЧ снабжен регулятором усиления (например, ручным и автоматическим), что создает дополнительные удобства для работы оператора. БУ 16 дает возможность выбирать режим контроля при использовании различных зондов и снабжен переключателем режима контроля (акустический или электромагнитный), управляющий состоянием коммутатора, а также двумя (для ЗА и ЗЭМ) многопозиционными (по числу используемых каждым набором зондов информативных частот) переключателями, которые выполняют функцию задатчика кода значений информативных частот, и путем воздействия на соответствующие элементы цепи управления частотой гетеродина, например, путем переключения элементов частотозадающих цепей гетеродина, обеспечивают установку необходимой для подключенных зондов частоты гетеродина.
Таким образом, предлагаемое устройство для различных по частоте составляющих спектров контролируемых излучений обеспечивает одновременную индикацию и уровня информативной составляющей спектра, и сигнала ее огибающей как в режиме акустического контроля, так и в режиме электромагнитного контроля, что, в конечном итоге, обеспечивает повышение достоверности контроля и расширение области его применения.
В частности, при использовании предлагаемого устройства оператор, производящий диагностирование, имеет возможность использовать различные сменные зонды, характеристики которых в максимальной степени соответствуют специфике обследуемых объектов, причем поиск, обнаружение и идентификацию источников ультразвукового и электромагнитного излучений выполнять дистанционно (без опасного приближения к элементам обследуемого объекта), одновременно контролируя и уровень сигнала информативной составляющей, например, по светодиодному индикатору, и характеристики огибающей сигнала, например, путем прослушивания звукового воспроизведения сигнала в головных телефонах, а при необходимости, осуществлять дополнительно визуальный контроль и регистрацию осциллограммы, спектра и других характеристик огибающей, используя соответствующие внешние приборы.
В сочетании с возможностью многократного оперативного переключения режимов контроля и сопоставления совокупности диагностических признаков акустического и электромагнитного излучений это позволяет дистанционно, оперативно и достоверно обнаруживать, распознавать и определять местоположение различных дефектов, сопровождающихся электрическими разрядами, например, таких как повреждение изоляции высоковольтных вводов, трещины и загрязнения изоляторов линий электропередач, подгар контактных соединений распределительных устройств и т.д., причем дальность обнаружения дефектов с помощью предлагаемого устройства может достигать 30 и более метров.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими средствами индикации акустических и электромагнитных излучений аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности контроля и расширение области применения, в том числе в условиях воздействия различных помех.