СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
METHOD FOR NONCONTACT REMOTE DIAGNOSTICS OF HIGH-VOLTAGE INSULATORS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного дистанционного контроля рабочего состояния опорных высоковольтных изоляторов на основе обнаружения, измерения и анализа локальных областей с повышенными градиентами напряженности переменного электрического поля по сравнению с номинальными значениями поля на поверхности или в объеме изолятора.
Известны бесконтактные дистанционные способы диагностики состояния высоковольтных изоляторов, основанные на измерении определенных характеристик частичных разрядов (патент RU №2359280, G01R 31/12, 20.06.2009; патент RU №2483315, G01R 31/12, 27.05.2013, а также В.П. Вдовико «Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования», Новосибирск, Наука, 2007).
С помощью этих способов возможно определить только степень дефектности изолятора, без привязки к месту реального дефекта, поскольку дистанционно измеряются усредненные характеристики частичных разрядов по всему изолятору.
Прототипом является способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния подвесных высоковольтных изоляторов, при котором используют датчик контроля напряженности электрического поля (Андреенков Е.С., Шунаев С.А. Контроль состояния подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока напряжением 110-750 кВ. Материалы докладов национального конгресса по энергетике. Казань, том IV, с. 162-167, 2014).
В основе способа лежит предположение о перераспределении электрического поля на гирлянде, содержащей дефектный изолятор.
При наличии дефектного («нулевого») изолятора в гирлянде повышается напряжение на исправных изоляторах, следовательно, и напряженность электрического поля вблизи изоляторов увеличивается. Согласно способу-прототипу датчик напряженности электрического поля устанавливают вблизи гирлянды подвесных изоляторов и по изменению напряженности поля судят о наличии дефектных изоляторов.
Основным недостатком способа-прототипа является невозможность определения преддефектного состояния. Подобные предпробойные очаги образуется в тех элементах конструкции изоляторов, для которых характерна повышенная напряженность электрического поля за счет таких факторов как накопление объемного или поверхностного заряда на границах раздела диэлектрических сред с различной проницаемостью, а также микрозазоров между электродами и изолятором, структурных неоднородностей и проводящих включений в диэлектриках.
Возникшие повышенные градиенты напряженности электрических полей могут стать причиной электрического пробоя или перекрытия, особенно при возникновении коммутационных или атмосферных перенапряжений.
Кроме того, недостатком способа-прототипа является недостаточная разработанность метода контроля напряженности электрического поля, не определен тип датчика контроля электромагнитного поля и степень влияния на него сильных электромагнитных полей, при этом данный способ можно использовать только для контроля гирлянд подвесных изоляторов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является обеспечение возможности определения момента возникновения преддефектного состояния за счет выявления областей с повышенной напряженностью электрического поля и измерения градиентов напряженности электрического поля в этих областях с последующим выделением дефектов.
Технический результат достигается тем, что в способе бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов, при котором используют датчик контроля напряженности электрического поля, согласно настоящему изобретению, локацию областей с повышенной напряженностью электрического поля и измерение градиентов напряженности поля осуществляют электрооптическим датчиком контроля напряженности электрического поля по значению коэффициента отражения лазерного пучка от указанного датчика, которое пропорционально напряженности электрического поля, при этом предварительно электрооптический датчик градуируют путем внесения его в калиброванное переменное электрическое поле, затем для каждого типа опорных высоковольтных изоляторов, которые подлежат диагностике, определяют в ходе стендовых измерений усредненные значения напряженности переменных электрических полей, соответствующие рабочему высокому напряжению и предельные границы градиентов напряженности электрических полей, не создающих электрический пробой или перекрытие изоляторов, далее электрооптический датчик, размещенный на диэлектрической штанге и соединенный, через поляризационный дискриминатор и волоконный световод, с лазерным излучателем, а также с фотоприемником, сканируют по поверхности опорного высоковольтного изолятора, регистрируя одновременно по определенный компьютерной программе пространственное положение электрооптического датчика на поверхности изолятора и соответствующую ему напряженность электрического поля, измеряют нормальные и тангенциальные компоненты градиентов напряженности электрического поля, затем пространственное распределение повышенных нормальных и тангенциальных к поверхности градиентов напряженности электрического поля сравнивают по определенной компьютерной программе с ранее записанным распределением значений напряженности для эталонного опорного высоковольтного изолятора и выделяют области возможных внутренних пробоев и поверхностных перекрытий в изоляторе путем выделения градиентов напряженности электрического поля, превышающих уровень, безопасный для нормального функционирования высоковольтных опорных изоляторов данного типа.
При этом используют электрооптический датчик и волоконный световод, в которых отсутствуют металлические элементы, при этом электрооптический датчик выполнен с возможностью размещения непосредственно в переменном электрическом поле.
Таким образом, технический результат достигается тем, что измерение локальной напряженности переменного электрического поля выполняют электрооптическим датчиком по значению коэффициента отражения лазерного излучения от датчика, пропорционального напряженности электрического поля. Путем сканирования поверхности опорного высоковольтного изолятора электрооптическим датчиком, размещенным на диэлектрической штанге и соединенным с лазерным излучателем и фотоприемником, выявляют области локальных повышенных градиентов напряженности поля, превосходящих номинальную напряженность поля для данного типа изоляторов. Определение значений напряженности, превышающих допустимый уровень, безопасный для нормального функционирования, выполняют путем сравнения с подобными характеристиками опорного высоковольтного изолятора того же типа, принятого за эталон.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов, а на фиг. 2 представлена зависимость значения коэффициента отражения R от изменения резонансной длины волны излучения.
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1. Лазерный излучатель.
2. Поляризационный дискриминатор.
3. Волоконный световод.
4. Электрооптический датчик.
5. Фотоприемник.
6. Узкополосный усилитель и компаратор.
7. Компьютер.
Устройство для бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов содержит последовательно соединенные лазерный излучатель 1, поляризационный дискриминатор 2, волоконный световод 3, фотоприемник 5, узкополосный усилитель и компаратор 6, компьютер 7, а также электрооптический датчик 4, соединенный с волоконным световодом 3 и фотоприемником 5. В электрооптическом датчике 4 и волоконном световоде 3 отсутствуют металлические элементы, при этом электрооптический датчик 4 выполнен с возможностью размещения непосредственно в переменном электрическом поле.
Электрооптический датчик 4 состоит из сегнетоэлектрического кристалла, на поверхности которого сформирована периодическая доменная структура (ПДС). Для повышения чувствительности и разрешающей способности при локации градиентов напряженности поля используются резонансные свойства ПДС для данной длины волны лазерного излучателя 1.
0
Условие максимального отражения лазерной волны с длиной λ от ПДС в этом случае выполняется при равенстве
где n - показатель преломления, D - период ПДС.
Электрическое поле с напряженностью Е, приложенное к ПДС, создает вследствие линейного электрооптического эффекта (эффект Поккельса) изменение показателя преломления и, следовательно, сдвиг резонансной частоты ПДС, что соответствует изменению резонансной длины волны.
Е
где r - электрооптический коэффициент, λ - длина волны в приложенном электрическом поле.
m
Таким образом, максимальный коэффициент отражения R лазерной волны от ПДС, убывает с увеличением λ.
Изменение коэффициента отражения R можно представить в виде:
ΔR=(dR/dE)E,
Поскольку из выражения (2) следует:
то
m
max
m
В общем виде зависимость значения коэффициента отражения R от изменения резонансной длины волны можно представлять в виде графика (фиг. 2). Если длину волны лазерного излучения λ настроить на середину склона спектральной кривой отражения, соответствующей значению R/2, то переменное электрическое поле будет создавать соответствующее изменение ΔR коэффициента отражения. Использование практически линейного отрезка dR/dλ позволяет в линейном масштабе определять значения Е.
Устройство для бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов работает следующим образом.
Излучение от лазера 1 (фиг. 1) поступает в поляризационный дискриминатор 2, который в зависимости от поляризации разделяет лазерный пучок, который проходит через волоконный световод 3 в электрооптический датчик 4. Отраженный от электрооптического датчика 4 пучок направляется в фотоприемник 5. Сигнал после фотоприемника 5 поступает в узкополосный усилитель и компаратор 6, где он сравнивается с опорным сигналом и поступает в компьютер 7 для сравнения с ранее записанными аналогичными сигналами для эталонного опорного высоковольтного изолятора.
Способ бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов осуществляют посредством следующих операций.
Локацию областей с повышенной напряженностью электрического поля и измерение градиентов напряженности поля осуществляют электрооптическим датчиком 4 контроля напряженности электрического поля по значению коэффициента отражения R лазерного пучка от указанного датчика 4, которое пропорционально напряженности Ε электрического поля.
Предварительно электрооптический датчик 4 градуируют путем внесения его в калиброванное переменное электрическое поле.
Затем для каждого типа опорных высоковольтных изоляторов, которые подлежат диагностике, определяют в ходе стендовых измерений усредненные значения напряженности переменных электрических полей, соответствующие рабочему высокому напряжению и предельные границы градиентов напряженности электрических полей, не создающих электрический пробой или перекрытие изоляторов.
Далее электрооптический датчик 4, размещенный на диэлектрической штанге (на фиг. 1 она условно не показана) и соединенный через поляризационный дискриминатор 2 и волоконный световод 3 с лазерным излучателем 1, а также с фотоприемником 5, сканируют по поверхности опорного высоковольтного изолятора, регистрируя одновременно по определенный компьютерной программе пространственное положение электрооптического датчика 4 на поверхности изолятора и соответствующую ему напряженность электрического поля, измеряют нормальные и тангенциальные компоненты градиентов напряженности электрического поля.
Затем пространственное распределение повышенных нормальных и тангенциальных к поверхности градиентов напряженности электрического поля сравнивают по определенной компьютерной программе с ранее записанным распределением значений напряженности для эталонного опорного высоковольтного изолятора и выделяют области возможных внутренних пробоев и поверхностных перекрытий в изоляторе путем выделения градиентов напряженности электрического поля, превышающих уровень, безопасный для нормального функционирования высоковольтных опорных изоляторов данного типа.
При этом используют электрооптический датчик 4 и волоконный световод 3, в которых отсутствуют металлические элементы, при этом электрооптический датчик 4 выполнен с возможностью размещения непосредственно в переменном электрическом поле.
Для подтверждения промышленной применимости заявленного способа бесконтактной дистанционной диагностики состояния опорных высоковольтных изоляторов был выполнен эксперимент на реальном полимерном изоляторе ЛК 70/35 с поврежденной полимерной оболочкой (повреждение ребра).
3
3
Электрооптический датчик 4 был выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из монокристалла ниобата лития (LiNbO) с размерами 2×0,5×10 мм на z - поверхности (L=10 мм).
2
Предварительно в нем интерферирующими лазерными пучками была сформирована периодическая доменная структура (ПДС), состоящая из 180° доменов общим числом в 200 периодов с размером 1,6 мкм. Эта конструкция размещалась в пластмассовом корпусе, который крепился к диэлектрической штанге. При исследовании образцов без повреждений (эталон) и образца с повреждением ребра было установлено превышение напряженности электрического поля в области повреждения на 7%, причем были зафиксированы и размеры повреждения порядка 24 мм.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит по сравнению с прототипом обеспечить возможность определения момента возникновения преддефектного состояния за счет выявления областей с повышенной напряженностью электрического поля и измерения градиентов напряженности электрического поля в этих областях с последующим выделением дефектов.