Переносное устройство бесконтактного диагностирования изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов

Полезная модель относится к энергетике, преимущественно к электроустановкам, и может быть применена для диагностирования состояния изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов по параметрам напряженности электрического поля вблизи них.
Известен способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния высоковольтных полимерных изоляторов [1], при котором осуществляют пассивный прием электромагнитным и акустическим приемниками одновременно электромагнитного и акустического излучений от частичных разрядов, индикацию и совместную компьютерную обработку сигналов. Компьютерная обработка сигналов осуществляется путем определения в каждом из дискретных интервалов фазового напряжения средних значений числа и интенсивности импульсов реального заряда, которые превышают допустимый порог для возникновения дефектов или их развития.
К недостаткам описанного устройства можно отнести: конструктивную непригодность для определения дефектов изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов; недостаточную точность акустического метода диагностирования вследствие наличия большого числа мешающих факторов; необходимость для каждого типа полимерных изоляторов контактным способом определить предельные значения интенсивности и число частичных разрядов.
Известен способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования [2], заключающийся в предварительных экспериментальных исследованиях электромагнитных излучений (ЭМИ) для оценки величины интервала времени Т, на котором спектр ЭМИ с достаточной достоверностью можно считать стационарным случайным процессом. Из зарегистрированных ЭМИ выделяют спектры электромагнитного излучения, генерируемого частичными разрядами во внутренней изоляции. После чего численным анализом зафиксированных спектров формируют совокупность количественных критериев. При последующем мониторинге сравнение со сформированными критериями позволяет судить о состоянии высоковольтного оборудования и/или наличии дефектов в отдельных его узлах.
К недостаткам этого способа можно отнести то, что регистрация электромагнитного излучения производят направленными антеннами с земли, на расстояниях, существенно превышающих расстояние между контролируемыми вводами. В этом случае сигнал, регистрируемый такими приемниками, является сложным, так как содержит составляющие от всех трех вводов. В результате чего выявление дефектного ввода в таких условиях становится затруднительно, не эффективно и замедленно.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для автоматизированного контроля состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа трехфазного высоковольтного электротехнического оборудования под рабочим напряжением по параметрам частичных разрядов [3]. Устройство содержит в каждом из трех каналов измерения блок присоединения к объекту, к выходу которого радиокабелем присоединен блок защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений, к которому присоединены соответствующий вход блока коммутатора измерительных каналов фаз и полосовые фильтры, формирователь временного окна, вычислительно-логический блок и подключенный к последнему блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов в фазах объекта контроля. При этом, входящие в формирователь временного окна фильтры низких частот подключены ко входам активного трехфазного однополупериодного выпрямителя, вход которого соединен со входам компаратора напряжения, выход последнего подключен ко входу диодного оптрона, соединенного выходом со входом внешнего прерывания микроконтроллера вычислительно-логического блока, выполненного с возможностью формирования временных интервалов, на которых разрешается обработка измерений выбранных участков частотного спектра частичных разрядов поочередно и циклически для трех каналов контроля изоляции фаз электротехнического оборудования, а выходы полосовых фильтров подключены ко входам измерителей среднего значения напряжения, выходы которых соединены со входами нормирующих усилителей, подключенных выходами ко входам вычислительно-логического блока, причем блок коммутатора измерительных каналов фаз выполнен на оптоэлектронных реле.
Сигнал «Тревога» формируется с выхода вычислительно - логического блока, при превышении допустимого уровня в каналах измерения по одному из диагностируемых высоковольтных вводов.
Недостатками данного способа являются: высокие временные затраты на монтаж измерительных преобразователей, необходимость  отключения высокого напряжения, вследствие прямого электрического контакта с высоковольтным вводом при диагностировании; дополнительные временные затраты при необходимости диагностирования высоковольтных вводов других трансформаторов. Все это приводит к снижению эффективности и быстродействия процесса определения дефектов.
Задачей полезной модели является повышение эффективности и быстродействия процесса определения дефектов изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов путем использования бесконтактного метода измерения параметров электрического поля.
Решение указанной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее в каждом из трех каналов измерения блоки присоединения к объекту, выходы которых через блоки защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений присоединены ко входам фильтров низких частот, блок коммутатора измерительных каналов фаз, соединенного входами с вычислительно-логическим блоком, выход которого соединен с входом блока сигнализатора превышения допустимого уровня, компаратор, согласно заявленному техническому решению блоки присоединения к объекту выполнены бесконтактными и состоят из датчиков электрического поля, расположенных на изолирующих штангах, через которые выходы датчиков при помощи соединительных проводов, соединены с блоками защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений, а выходы фильтров низких частот соединены с входами  дополнительно введенных трех амплитудных детекторов, выходы которых соединены с входами блока коммутатора измерительных каналов фаз и входами дополнительно введенного сумматора, причем выходы сумматора и блока коммутатора измерительных каналов фаз соединены со входами компаратора, выход которого соединен с входом вычислительно-логического блока.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема прибора измерения и контроля (ПИК), на фиг. 2 представлена схема размещение элементов переносного устройства для автоматизированного контроля состояния изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов: вид спереди (а); вид сбоку (б), а на фиг. 3 представлены распределения напряженности электрического поля вблизи высоковольтных вводов при наличии дефектов изоляции.
А
В
С
А
В
С
А
В
С
А
В
С
Устройство содержит три блока 1-3 присоединения к объекту (БПО), включающих соответственно датчики электрического поля Д, Д, Д, изоляционные штанги ИШ, ИШ, ИШ и блоки защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений БЗ, БЗ, БЗ, прибор измерения и контроля (ПИК) 4, включающий три фильтра 5-7 низких частот (ФНЧ) с полосой пропускания 0-50 Гц, три амплитудных детектора (АД) 8-10, блок коммутатора измерительных каналов фаз (БК) 11, сумматор (СУМ) 12, компаратор (К) 13, вычислительно-логический блок (ВЛБ) 14 и блок сигнализатор превышения допустимого уровня (БС) 15. Датчики Д, Д и Д блоков присоединения к объекту через последовательно соединенные блоки защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений, фильтры низких частот 5-7 и амплитудные детекторы 8-10 соответственно соединены с тремя сигнальными входами блока коммутатора измерительных каналов 11 и с тремя входами сумматора 12. Выход блока коммутатора 11 измерительных каналов и сумматора 12 соответственно соединены с первым и вторым входом компаратора 13, выход которого соединен с входом вычислительно-логического блока 14. Три первых выхода вычислительно-логического блока 14 соответственно соединены с тремя управляющими входами (УПР) блока коммутатора 11 измерительных каналов, четвертый его выход соединен с блоком сигнализатора превышения допустимого уровня 15.
А
В
С
А
В
С
А
В
С
А
В
С
А
В
С
1А
NA
1В
NB
1C
NC
Устройство работает следующим образом. Датчики электрического поля Д, Д, Д , входящие в состав БПО 1, БПО 2, БПО 3, накапливают заряд под действием электрического поля, создаваемого входным напряжением, подведенным к высоковольтным вводам ВВ по фазам А, В, С. Выходы датчиков электрического поля при помощи соединительных проводов, проходящих внутри изолирующих штанг ИШ, также входящие в состав БПО 1, БПО 2, БПО 3, соединены с входами блоков защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений БЗ, БЗ, БЗ. Блоки БЗ, БЗ, БЗ предназначены для защиты измерительной части устройства от перенапряжений, которые могут возникнуть при контакте датчиков с элементами объекта контроля, на которых может появиться высокое напряжение при пробое изоляции высоковольтных вводов ВВ, представленной схемой замещения с емкостями С…С, С…С, С…С.
А
В
С
m
mA
mB
mC
С выходов БЗ, БЗ, БЗ, сигнал поступает на входы трех ФНЧ снижающих влияние высокочастотных помех. АД выделяют амплитудные значения по каждой фазе. При помощи блока коммутации БК постоянное значение сигнала по каждой фазе, пропорциональное амплитудному значению напряженности поля (E) для каждого из контролируемых вводов передается на первый вход компаратора К. На другой вход компаратора подается сигнал с выхода сумматора СУМ, формирующего усредненный сигнал сравнения, пропорциональный среднему значению суммы напряженностей по каждой фазе (E, E, E). При исправных вводах сигнал по каждой фазе с выходов АД не превышает сигнал на выходе СУМ ввиду симметрии входного напряжения, в этом случае на выходе К сохраняется сигнал нулевого логического уровня. При нарушении изоляции по любой из фаз высоковольтных вводов, сигнал на выходе соответствующего АД увеличивается, следовательно, уровень сигнала СУМ также увеличится. Следует отметить, что на фазе с нарушенной изоляцией сигнал с выхода АД будет превышать сигнал СУМ, тогда на выходе К появится сигнал высокого логического уровня, формирующий прерывание для микропроцессора в составе ВЛБ, запускающего программу обработки события, сохраняющей значение напряженности высоковольтного ввода с дефектом, и передающей на блок сигнализации (БС) сигнала «Тревога».
Наличие дефекта в изоляторе приводит к изменению диэлектрической проницаемости изолирующей части, и, как правило, увеличению напряженности электрического поля вокруг дефектного ввода, как показано в работе [4].
На фиг. 2 представлена схема размещение элементов переносного устройства контроля состояния изоляции высоковольтных вводов трехфазных трансформаторов: вид спереди (а); вид сбоку (б).
3
2
К каждой из трех изолирующих штанг ИШ 2 подключается датчик электрического поля 3, выходы которых при помощи соединительных проводов соединены с входами измерительного прибора 9, предназначенного для коммутации, преобразования и выполнения логической функции контроля. При диагностировании состояния высоковольтных вводов 4 находящихся на верхней площадке корпуса трансформатора 1, датчики электрического поля 3 при помощи фиксирующих устройств 6 устанавливаются на изолирующую штангу 2 на расстояние L от поверхности контролируемого высоковольтного ввода 4 путем регулирования расстояния вылета датчика электрического поля L. Изолирующая штанга 2 посредством верхнего фиксирующего устройства 7 и нижнего фиксирующего устройства 8 крепится к корпусу трансформатора 1. Конструкция фиксирующих устройств 7 и 8 позволяет регулировать высоту Н расположения измерительных преобразователей относительно поверхности высоковольтного ввода 4.
Распределение электрического поля при контроле изоляции с помощью предложенного устройства, на трансформаторе, содержащем два исправные и один неисправный высоковольтные вводы показано на фиг. 3.
3
График распределения напряженности электрического поля исправных высоковольтных вводов представляет собой симметричную линию с тремя максимумами, соответствующими измерениям на минимальном расстоянии L от каждого из контролируемых вводов, а значение сигнала СУМ будет близко к таким максимумам. При выходе из строя одного из высоковольтных вводов, по причине уменьшения сопротивления его изоляции, происходит увеличение напряженности поля вблизи от его поверхности [4]. На фиг. 3 показаны случаи возникновения дефектов на правом, среднем и левом вводе, сопровождающиеся увеличением напряженности поля вблизи от поверхности соответствующего ввода. На графиках показан уровень среднего значения СУМ, сигнализирующий о появлении дефекта изоляции одной из фаз.
Таким образом, предложенная конструкция устройства позволяет осуществить быстрый монтаж на высоковольтном трансформаторе без его отключения, а так же выявить неисправный ввод, благодаря расположению датчиков электрического поля, выполненных, например, по конструкции, предложенной в работе [5] в непосредственной близости от контролируемого ввода.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Патент на изобретение. Способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния высоковольтных полимерных изоляторов.№2483315. МПК G01R31/12. / Голенищев-Кутузов В. А., Голенищев-Кутузов А. В., Евдокимов Л. И., Черномашенцев А. Ю. Опубл. 27.05.2013.
2. Патент на изобретение. Способ контроля технического состояния элементов высоковольтного оборудования. №2368914 МПК G01R 31/302. / Киншт Н. В., Петрунько Н. Н., Силин Н. В. Опубликовано: 27.09.2009бюл. № 27.
3. Патент на изобретение. Устройство для автоматизированного контроля состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа трехфазного высоковольтного электротехнического оборудования под рабочим напряжением по параметрам частичных разрядов. №78951. МПК G01R 31/02, G01R 31/08. / Кужеков С. Л., Галикян Г. С., Дягтярев А. А. Опубл. 10.12.2008 бюл. 34.
4. Кузнецов А. А., Кузьменко А. Ю., Зверев А. Г. Моделирование и экспериментальные исследования распределения электростатического поля на гирляндах подвесных фарфоровых изоляторов / Известия Транссиба, 2016. №3(27). С. 91-99.
5. Кузнецов А. А., Кузьменко А. Ю., Бирюков С. В. Датчик напряженности электрического поля. Патент на полезную модель №175577. МПК G01R29/12. Опубл. 11.12.2017 бюл. № 35.