УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В СИЛОВЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
Предполагаемая полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности к контрольно-измерительной технике и релейной защите, и может быть использовано при создании приборов непрерывной диагностики и прогнозирования повреждений, расстояния до места однофазного замыкания на землю и его величины в силовых кабельных линиях с изолированной нейтралью 6-35 кВ в реальном времени.
Известно устройство для определения места повреждения линии электропередачи и связи (патент РФ на полезную модель №42324(13), МПК G01R 31/11 от 27.11.2004 г.), содержащее генератор зондирующих импульсов с блоком управляемого выходного сопротивления, выход которого связан с линией, вычислительный блок, один из выходов которого подключен к входу блока управляемого выходного сопротивления, другой выход - к входу блока индикации, а вход/выход связан с входом/выходом приемника, в генератор зондирующих импульсов установлены последовательно соединенные блок памяти, вход которого подключен к одному из выходов вычислительного блока, цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, выход которого связан с входом блока управляемого выходного сопротивления и с одним из входов приемника, при этом выход блока управляемого выходного сопротивления дополнительно подключен к другому входу приемника, а приемник дополнительно содержит фильтр нижних частот.
Существенные признаки аналога:
1) генератор зондирующих импульсов,
2) вычислительный блок,
3) блок управляемого выходного сопротивления,
4) блок индикации.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками устройства:
а) генератор зондирующих импульсов, соединенный блоком управляемого выходного сопротивления (в заявляемом устройстве - блок анализа изменения интенсивности частичных разрядов),
б) вычислительный блок (в заявляемом устройстве - блок выбора алгоритма).
Причины, препятствующие достижению технического результата, низкая точность определения места повреждения линии электропередачи.
Известно устройство для диагностирования состояния изоляции силового кабеля (патент РФ на полезную модель №45193(13), МПК G01R 31/02 от 27.04.2005 г.), содержащее блок питания с входом в электросеть, блок широтно-импульсного модулятора, инвертор, высоковольтный блок, блок измерения выходного напряжения, причем выход блока питания соединен с входом инвертора и блока широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с входом блока измерения выходного напряжения через высоковольтный блок, автономный источник электропитания, соединенным с входом блока питания, и датчиком тока, вход которого соединен с входом инвертора, а выход - с входом блока широтно-импульсного модулятора.
Существенные признаки аналога:
1) блок питания,
2) блок широтно-импульсного модулятора,
3) инвертор,
4) высоковольтный блок,
5) блок измерения выходного напряжения.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками устройства:
а) блок измерения выходного напряжения (в заявляемом устройстве - блок определения векторов тока и напряжения).
б) датчик тока (в заявляемом устройстве - блок измерения параметров силовой кабельной линии с использованием датчиков тока).
Причины, препятствующие достижению технического результата, является низкая точность измерений.
Из известных наиболее близким является устройство для определения места повреждения кабелей линий электропередачи и связи с помощью маркера (патент РФ на полезную модель №25097(13), МПК G01R 31/11 от 10.09.2002 г.), содержащее генератор зондирующих импульсов, первый тактовый генератор, формирователь импульсов начала и окончания счета, первый коммутатор, первый датчик расстояния, формирователь импульсов записи и обнуления, формирователь порогового напряжения, функциональный приемник, датчик укорочения, второй коммутатор, элемент сравнения, детектор, аналого-цифровой преобразователь, блок индикации, блок формирования импульса, соответствующего началу периода измерения и импульса, соответствующего концу периода измерения, вход которого подключен к первому выходу первого тактового генератора, блок формирования импульсов, соответствующих моментам прихода отраженных импульсов, вход которого подключен ко второму выходу формирователя импульсов начала и окончания счета, блок кодирования импульсов, первый вход которого подключен ко второму выходу блока формирования импульса, соответствующего началу периода измерения и импульса, соответствующего концу периода измерения, второй вход которого подключен к первому выходу блока формирования импульсов, соответствующих моментам прихода отраженных импульсов, третий вход которого подключен к выходу блока формирования импульсов, соответствующих моментам прихода отраженных импульсов, радиопередающий блок, первый вход которого подключен к выходу блока кодирования импульсов, выход которого подключен к антенне, а также приемное устройство и блок обработки информации, которые находятся у оператора на трассе кабельной линии.
Существенные признаки прототипа:
1) генератор зондирующих импульсов,
2) первый тактовый генератор,
3) формирователь импульсов начала и окончания счета,
4) первый коммутатор,
5) первый датчик расстояния,
6) формирователь импульсов записи и обнуления,
7) формирователь порогового напряжения,
8) функциональный приемник,
9) датчик укорочения,
10) второй коммутатор,
11) детектор,
12) аналого-цифровой преобразователь,
13) блок индикации,
14) радиопередающий блок.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками устройства:
а) формирователь импульсов начала и окончания счета (в заявляемом устройстве - блок анализа изменения интенсивности частичных разрядов),
б) формирователь порогового напряжения (в заявляемом устройстве -блок определения векторов тока и напряжения),
в) блок формирования импульса, соответствующего началу периода измерения и импульса, соответствующего концу периода измерения (в заявляемом устройстве - блок анализа изменения интенсивности частичных разрядов).
Недостатки прототипа:
1) невозможность непрерывного контроля и диагностики силовых кабельных линий из-за объединения устройства предварительного (локационного) и окончательного (топографического) определения места повреждения кабельной линии,
2) низкая точность определения расстояния до места повреждения из-за объединения устройства предварительного (локационного) и окончательного (топографического) определения места повреждения кабельной линии,
3) для точного определения места повреждения (дефекта) кабельной линии необходимо дополнительно применять другие устройства (локационного и окончательного, топографического, определения места повреждения кабельной линии.
Причиной препятствующей достижению технического результата, является: отсутствие прогнозирования зависимостей характеристик частичных разрядов (ЧР) от времени, позволяющие определять время наступления пробоя изоляции силовой кабельной линии и предотвратить отказ работы электрооборудования.
Задача предполагаемой полезной модели - выявления дефектов изоляции на ранней стадии развития в автоматическом режиме.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены блок автоматического определения повреждения фазы, вход которого соединен с выходом блока определения векторов тока и напряжения, а выход соединен с первым входом блока измерения параметров силовой кабельной линии, блок анализа параметров частичных разрядов, вход которого соединен с выходом блока измерения параметров силовой кабельной линии, а выход соединен с входом блока анализа изменения интенсивности частичных разрядов, блок определения места и степени дефекта, вход которого соединен с выходом блока выбора алгоритма, а выход соединен с входом выходного блока N-присоединения, которые соединены с входом блока учета измерений конфигурации сети, через обратную связь, выход которого соединен со вторым входом блока измерения параметров силовой кабельной линии.
Для достижения технического результата в устройство непрерывной диагностики и прогнозирования повреждений в силовых кабельных линиях в реальном времени, включающую блок определения векторов тока и напряжения, соединен с первым входом блока измерения параметров силовой кабельной линии с использованием датчиков тока, который соединен с блоком анализа изменения интенсивности частичных разрядов, соединенный с блоком выбора алгоритма, введены блок автоматического определения повреждения фазы, блок анализа параметров частичных разрядов их амплитудного и фазного распределения импульсов, блок определения места и степени дефектов, выходной блок N-присоединения, блок учета измерений конфигурации сети.
х
х
x
ДЕФ
ДЕФ
Z
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства непрерывной диагностики и прогнозирования повреждений в СКЛ в реальном времени, определения параметров дефектов изоляции (, Z, состоящая из 1- блока определения векторов тока и напряжения, 2 - блока автоматического определения повреждения фазы, выполняющий: - выявление дефектов изоляции, -определение несимметрии электродвигателя (нагрузки), 3 - блок регистрации частичных разрядов, 4 - блока анализа параметров частичных разрядов их амплитудного и фазного распределения импульсов в СКЛ, 5 - блока анализа изменения интенсивности частичных разрядов, в процессе эксплуатации оборудования, и оценка состояния изоляции по распределению импульсов частичных разрядов, 6 - блока выбора алгоритма, определяющего: - замыкание на землю; - дефект изоляции; - распределенный дефект, 7 - блока определения места и степени дефекта, а именно: - определение удаленности замыкания (), - определение параметров дефекта изоляции (, ), 8 - выходного блока N-присоединений, фаз (А, В, С), элементов линии, 9 - блока учета измерений конфигурации сети.
Блок определения векторов тока и напряжения 1 соединен с блоком автоматического определения повреждения фазы 2, соединен с блоком регистрации частичных разрядов 3, соединен с блок анализа параметров частичных разрядов их амплитудного и фазного распределения импульсов 4, который также соединен с блоком анализа изменения интенсивности частичных разрядов 5, выход которого соединен с блоком выбора алгоритма 6, соединен с блоком определения места и степени дефекта 7, выход которого соединен с выходным блоком N-присоединения 8, который через обратную связь соединен с блоком учета измерений конфигурации сети 9, который также соединен с блоком регистрации частичных разрядов 3.
A
B
C
A
B
C
0
0
0
х
x
Z
Работает устройство следующим образом. На вход блока 1 определения векторов тока и напряжения, поступают сигналы от датчиков фазных токов А, В, С (I, I, I) и датчиков линейных напряжений фаз А, В, С (U, U, U), в котором определяется вектор тока нулевой последовательности (I), блок автоматического определения повреждения фазы (2), выполняющий выявление дефектов изоляции, так как каждой величине дефекта и точке дефекта соответствует только один вектор I, поэтому его сравнение с поврежденным значением вектора I поступает в блок регистрации частичных разрядов (3) с использованием датчика регистрации частичных разрядов, блоками 4 и 5 производится анализ характеристик частичных разрядов, а именно блоком -4 амплитудного и фазового распределения импульсов, а затем блоком 5 анализируется изменение интенсивности частичных разрядов в процессе эксплуатации оборудования и оценивается состояние и диагностика дефектов изоляции по распределению импульсов частичных разрядов, затем в блоке 6 происходит выбор алгоритма, определяющего: - замыкание на землю; - дефект изоляции (локальный); - распределенный дефект (интегральный), затем в блоке 7 происходит определение места и степени дефекта, а именно: - определение удаленности замыкания (), - определение параметров дефекта изоляции (, ), блоки 7, 9 и 3 соединены с помощью обратной связи, позволяющей учитывать изменения конфигурации цепи для достоверного определения места и степени дефекта, также блок 7 соединен с выходным блоком N-присоединения (8), фаз (А, В, С) и элементов (изоляции линии, кабельные муфты, концевые разделки кабельной линии), а также соединен с блоком учета измерений конфигурации сети (9).
Для непрерывного контроля изоляции в режиме реального времени исходными данными являются сведения о режимных параметрах сети. Сведения о режимных параметрах электросети (токи, напряжения, угол сдвига фаз между напряжением и током), поступающие на устройства сбора данных с последующей передачей данных в центр мониторинга, где осуществляется прием, накопление и обработка данных, с дальнейшей передачей результатов мониторинга состояния изоляции оперативному персоналу на главный щит управления, позволяющий с применением вышеизложенной методики, контролировать состояние изоляции, и в случае ее ухудшения, определить участок повреждения в распределительной сети без отключения ее потребителей и своевременно устранить дефекты изоляции.
Система выявления дефектов изоляции на ранней стадии развития работает в автоматическом режиме и не требует отключения оборудования для проведения необходимых измерений. Методом выявления дефектов изоляции является решение системы уравнений текущего состояния, в котором в качестве входных используются параметры режима. В результате решения определяются величины комплексных проводимостей изоляции фаз.
В алгоритме, возникновение дефекта или замыкание определяется по вектору тока нулевой последовательности, фаза которого определяется по отношению к вектору линейного напряжения.
0
0
0
ДЕФ
деф
деф
ДЕФ
ДЕФ
Каждой величине дефекта и месту дефекта соответствует только один вектор I. В результате итерационного процесса определения параметров дефекта путем расчета вектора I для предполагаемых параметров дефекта и его сравнения с действительным значением вектора I достаточно точно определяется сопротивление Z (R., Х.) Для определения параметров дефекта изоляции (l, Z) в рабочем режиме используются алгоритмы, которые получены на основании системы уравнений текущего состояния. Для определения места локального дефекта изоляции используется итерационный расчет на математической модели сети и сравнение его результатов с действительными значениями параметров режима. При совпадении расчетных и действительных значений амплитуды тока нулевой последовательности и сдвига фазы этого тока по отношению к вектору линейного напряжения, определяется удаленность локального дефекта изоляции и величина сопротивления этого дефекта.
х
ДЕФ
ДЕФ
В основу принципа выявления удаленности локального дефекта изоляции  и величины переходного сопротивления R в месте дефекта положена зависимость
c
с
прод
прод
х
Z
где b=1/ - емкостная проводимость фазы всей сети по отношению к земле; Y=1/ - продольная проводимость фазы присоединения.
Результатом работы подсистемы является выявление распределенных и локальных дефектов изоляции, благодаря чему в большинстве случаев возможно своевременное устранение дефектов изоляции.
0Д
0P
ДЕФ
деф
х
Определение расстояния и переходного сопротивления выполняется в результате сопоставления действительного вектора тока нулевой последовательности İ и вектора İ, найденного путем расчета предполагаемого расстояния до места замыкания с шагом Δx и пошаговом изменении величины предполагаемого сопротивления в месте замыкания с шагом ΔR. Параметры математической модели узла сети автоматически изменяются в соответствии с изменением конфигурации сети (статических и динамических ее параметров). За искомые параметры принимаются расчетные значения  и R, которые использовались на том шаге расчета тока нулевой последовательности, на котором произошло совпадение действительного и расчетного векторов тока нулевой последовательности. Система непрерывно контролирует амплитуду тока нулевой последовательности всех присоединений.
Работа устройства прогнозирования реализована в ПЗУ микроконтроллерного устройства отыскания неисправностей в силовой кабельной линии и позволяет прогнозировать остаточный временной ресурс изоляции:
o n
n
1) принять в рассмотрение n измерений, причем n=1…i (рассмотрение двумерного массива со строками I, t);
2) определить коэффициенты в нормальных уравнениях при: а, b, свободный коэффициент
3) составить нормальные уравнения и определить а и b коэффициенты аппроксимирующей функции,
4) построить график функции
0
I(t)=at+b,
5) определить ожидаемое время пробоя изоляции (определить точку пересечения
0
проб
0
I(t)=I и I(t)=at+b,
Искомая функция прогнозируемого тока описывающая ухудшении изоляции:
6) переиндексировать значения, n=n+1 (каждый элемент массива заменяется последующим, а последний заменяется значением нового измерения).
0
0
0
0
На фигуре 2 представлена адаптивная система прогнозирования неисправностей в силовых кабельных линиях, где 10 - задание (n=1…i), 11 - задание (Ii, ti), 12 - определение коэффициентов при а, b, свободный коэффициент (коэффициенты из системы нормальных уравнений определяются по данным n измерений), 13 - решение системы нормальных уравнений, 14 -определение аппроксимирующей функции (используется функция вида I=at+b), 15 - определение предположительного времени пробоя (из условия I=Iпроб. и I=at+b, так что Iпроб.=at+b), 16 - вывод результатов прогнозирования в графическом виде, 17 - переиндексация n=n+1.
Устройство прогнозирования остаточного ресурса изоляции силовых кабельных линий, использующее данные блока 8 фигуры 1, позволяет определять дефекты изоляции, что позволит дать оценку ситуации и возможность принятия необходимых решений для предотвращения ее ухудшения.
Преимуществом заявляемого устройства, перед известными, является:
1. возможность определять не только расстояние до места повреждения но и степень повреждения изоляции силовой кабельной линии;
2. диагностика, без отключения потребителей электроэнергии, позволяет уже на ранней стадии обнаружить ухудшение изоляции, определить ее участок, и своевременно устранить дефекты изоляции, тем самым предотвратить аварийные ситуации в распределительных сетях;
3. непрерывный контроль изоляции, в виде «оп-line» диагностики, в режиме реального времени основанный на измерении режимных параметров сети и анализе характеристик частичных разрядов;
4. использование метода регистрации частичных разрядов, позволяющего выявлять быстроразвивающиеся локальные дефекты изоляции;
5. анализ характеристик частичных разрядов их амплитудно-фазового распределения, интенсивности частичных разрядов от времени, в процессе эксплуатации, позволяющий прогнозировать пробой изоляции и предотвращать отказ силового электрооборудования.