УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА ТРЕХФАЗНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОД РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПО ПАРАМЕТРАМ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Полезная модель относится к электротехнике и электроэнергетике и может использоваться на электрических станциях и подстанциях для автоматизированного эксплуатационного контроля состояния изоляции высоковольтных распределительных и измерительных устройств, например, трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов под рабочим напряжением путем измерения параметров частичных разрядов в изоляции.
Частичные разряды (ЧР), возникающие в повреждающейся изоляции вызывают ускоренное старение, рост в ней активных потерь, принимающий на заключительном этапе лавинообразный характер, что приводит к возникновению катастрофических отказов высоковольтного электротехнического оборудования (взрыв, пожар, повреждение находящегося вблизи оборудования).
Одними из эффективных средств контроля состояния изоляции являются системы, производящие измерение параметров ЧР. При этом измеряются одна или несколько величин: кажущийся заряд, частота следования импульсов ЧР, средний квадрат кажущихся зарядов, средняя мощность и средний ток ЧР.
Известна система контроля изоляции вводов силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов типа УКИ [Аксенов Ю.П. Мониторинг состояния высоковольтной изоляции электрооборудования энергетического назначения в эксплуатации и при ремонтах. - М.: Издательство «Научтехлитиздат», 2002], состоящая из высокочастотного трансформатора тока, блока присоединения, анализатора частичных разрядов (измерителя радиопомех), осциллографа и компьютера со специальным программным обеспечением для анализа тока ЧР.
Недостатком указанной системы является то, что она предназначена для периодического контроля изоляции. Однако известно, что развитие повреждений в бумажно-масляной изоляции часто имеет лавинообразный характер. Срок развития повреждения от первых проявлений его признаков до катастрофического отказа может не превышать три-четыре недели. В результате существует реальная опасность своевременно не обнаружить повреждение изоляции из-за относительно редкого контроля. Сокращение периода контроля не всегда возможно по условиям загрузки эксплуатационного персонала.
Известно устройство контроля характеристик частичных разрядов [Патент РФ №2019850, МПК G01R 31/12 от 1994.09.15], состоящее из испытательного трансформатора для подачи испытательного напряжения на объект контроля, высоковольтного конденсатора, одной из обкладок которого является токоведущая жила объекта контроля, фильтра высоких частот, измерительного кабеля и регистрирующего прибора, включающего широкополосный интегрирующий усилитель, компаратор, счетчик импульсов и индикатор.
Недостатком указанного устройства является то, что оно предназначено для измерения характеристик частичных разрядов в лабораторных, а не производственных условиях. Кроме того, оно предназначено для периодического контроля и не может осуществлять автоматизированный непрерывный эксплуатационный контроль состояния бумажно-масляной изоляции объекта. Необходимость автоматизированного контроля (мониторинга) объясняется тем, что развитие повреждений в некоторых видах изоляции имеет лавинообразный характер и относительно редкий периодический контроль может оказаться неэффективным.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство-селектор частичных разрядов (СЧР) [П.М. Сви «Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения» - М., Энергоатомиздат, 1992, с. 237.], состоящее из блока присоединения к объекту, соединенного радиокабелем с боком защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений, аттенюатора, полосового фильтра, усилителя, формирователей временных окон, показывающего прибора, блока коммутатора измерительных каналов фаз, блок сигнализатора общего уровня сигнала и блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов. Последний блок по существу является вычислительно-логическим и выполняет пофазное сравнение сигналов.
Для снижения помех от стримерной короны устройство-прототип СЧР имеет три канала временного разделения, управляемых напряжениями от вторичных обмоток трансформатора напряжения системы шин РУ и реализует амплитудно-временной метод измерений.
Недостаток рассмотренного прототипа заключается в возможности ложной сигнализации из-за разброса параметров элементов, временной и температурной нестабильности формируемых длительностей временных интервалов, на которых запрещается обработка частотного спектра ЧР для трех измерительных каналов фаз объекта контроля. Это связано с наличием в прототипе трех раздельных блоков формирования «временных окон», что также усложняет и удорожает схему устройства контроля, снижает ее эксплуатационную надежность.
Кроме того, для работы прототипа требуется специальный измерительный трехфазный трансформатор напряжения (ТН), от которого необходимо на десятки (сотни) метров протянуть кабели связи к устройствам контроля изоляции, устанавливаемым, как правило, непосредственно на объектах
контроля. Такие протяженные кабели связи подвержены воздействиям помех во всех частотных диапазонах, что снижает помехоустойчивость и точность работы прототипа, а также существенно повышает его стоимость. В прототипе отсутствует гальваническая развязка между объектом контроля и блоками измерительной схемы, что при грозовых и коммутационных перенапряжениях на шинах РУ, несмотря на наличие блоков защит, приводит к выходу из строя усилителей, фильтров и других элементов устройства контроля.
Первой задачей полезной модели является исключение ложной сигнализации устройства контроля, обусловленной влиянием помех на кабели связи от ТН системы шин, нестабильностью и неидентичностью напряжений срабатывания коммутаторов измерительных каналов фаз и длительностей временных окон. Второй задачей полезной модели является обеспечение эффективной гальванической развязки между широкополосными датчиками импульсов ЧР - резисторными шунтами и блоками измерительной схемы, что обеспечит более высокую эксплуатационную надежность и ремонтопригодность устройства контроля. Решение этих задач достигнуто в предлагаемой полезной модели. Благодаря этому повышается доверие эксплуатационного персонала к данным, получаемым от устройства контроля.
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, заключается в повышении точности, повторяемости и достоверности измерений устройства контроля изоляции, а также в повышении его эксплуатационной надежности. Благодаря этому становится возможным эффективное распознавание повреждений изоляции на ранней стадии их развития, что исключает возможность появления внезапного катастрофического отказа контролируемого объекта.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство непрерывного автоматизированного контроля состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа трехфазного высоковольтного электротехнического оборудования под рабочим напряжением по параметрам частичных разрядов, содержащее в каждом из измерительных каналов блок присоединения к объекту, блок защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений, блок коммутатора измерительных каналов фаз, полосовой фильтр, формирователь временного окна, вычислительно-логический блок и блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов в фазах объекта контроля, дополнительно введены следующие элементы: измеритель среднего значения напряжения, нормирующий усилитель, фильтры низких частот (0-50 Гц) в каждом измерительном канале, трехфазный активный однополупериодный выпрямитель, компаратор и диодный оптрон.
Фильтры низких частот с полосой пропускания 0-50 Гц подключены ко входам трехфазного активного однополупериодного выпрямителя, выход которого соединен со входом компаратора напряжения, выход последнего подключен ко входу диодного оптрона, соединенного выходом со входом внешнего прерывания микроконтроллера вычислительно-
логического блока, обеспечивающего запуск внутреннего таймера для формирования временных интервалов, на которых разрешается обработка измерений частотного спектра частичных разрядов поочередно и циклически для трех каналов контроля изоляции фаз электротехнического оборудования.
Выходы блоков защиты каждого из трех каналов измерения подключены к соответствующим раздельно коммутируемым по времени входам блока коммутации на оптоэлектронных реле, подключенного управляющими входами к соответствующим дискретным выходам микроконтроллера вычислительно-логического блока.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - огибающая помех от стримерной короны высоковольтной трехфазной системы напряжений.
А
A
2A
B
B
2B
C
C
2C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
Контролируемый электрический объект 1 (ЭТО), представленный на фиг.1 емкостями С1.1, C1.N, C, С1.1, C1.N, С, C1.1, C1.N, C электрической схемы замещения изоляции его фаз, подключен к трехфазному питающему напряжению А, В, С распределительного устройства. К измерительным выводам 2 (ИВ), 3 (ИВ), 4 (ИВ) контролируемого объекта 1 (ЭТО) подключены входы устройства для автоматизированного контроля бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа трехфазного высоковольтного электротехнического оборудования под рабочим напряжением по параметрам ЧР. Устройство контроля содержит в каждом из трех каналов измерения блоки присоединения 5 (БПО), 6 (БПО) и 7 (БПО) к объекту, выходы которых коаксиальными радиокабелями 8 (РК), 9 (РК) и 10 (РК) присоединены к блокам защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений 12 (БЗ), 13 (БЗ), 14 (БЗ), к которым присоединены соответственно входы фильтров низких частот 19 (ФНЧ), 20 (ФНЧ) и 21 (ФНЧ) формирователя временного окна 16 (ФВО), блок коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) объекта контроля 1 (ЭТО), полосовые фильтры 17 (ПФНЧ) и 18 (ПФВЧ) для регистрации выбранных участков частотного спектра ЧР, измерители среднего значения напряжения 22 (ИСЗН1), 23 (ИСЗН2) и нормирующие усилители 25 (НУ1) и 26 (НУ2), подключенные к выходам полосовых фильтров, вычислительно-логический блок 29 (ВЛБ) и подключенный к последнему блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов 30 (БС).
A
B
C
Выходы фильтров низких частот 19 (ФНЧ), 20 (ФНЧ), 21 (ФНЧ) блока формирователя временного окна 16 (ФВО) подключены ко входам трехфазного активного однополупериодного выпрямителя 24 (АВ), выход которого соединен со входом компаратора напряжения 27 (К), выход последнего соединен со входом диодного оптрона 28 (ДО), выход которого соединен со входом внешнего прерывания микроконтроллера вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ), один из дискретных выходов которого соединен со входом блока сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов 30 (БС), а три других дискретных выхода - с управляющими входами блока коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) на опто-
электронных реле. Кроме того, выходы трех каналов измерения подключены также к соответствующим раздельно коммутируемым во времени входам блока коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) на оптоэлектронных реле, подключенного управляющими входами к соответствующим дискретным выходам микроконтроллера (на рисунке не показан) вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ). Конструктивно все функциональные блоки устройства контроля за исключением БПО 5-7 и РК 8-10 объединены в герметичном корпусе, который называют групповой коммутационной сборкой 11(ГКС).
A
A
B
B
C
C
A
B
C
B
-
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. При включенном под рабочее напряжение контролируемом объекте 1 (ЭТО) через емкости главной изоляции фаз C1.1 - C1.N, С1.1 C1.N, C1.1 -C1.N протекают токи утечки фаз, которые при заземленных «низкопотенциальных» измерительных выводах фаз 2 (ИВ), 3 (ИВ), 4 (ИВ) замыкаются непосредственно на землю. Сопротивление эквивалентной емкости главной изоляции фазы на частоте 50 Гц составляет несколько Мом. Поэтому при подключении устройства контроля тока утечки через главную изоляцию фаз, практически имеют емкостный характер, т.е. опережают напряжения соответствующих фаз на 90 электрических градусов. Ухудшение главной изоляции одной из фаз (старение, увлажнение, разгерметизация и т.п.) сопровождается управляя ениием частичных разрядов в изоляции, которые периодически «закорачивают» часть последовательно включенных частичных емкостей, например С1.1 в изоляции фазы В объекта контроля. Это приводит к перераспределению напряжений на последовательно включенных емкостях. Такие повторяющиеся во времени процессы, носящие импульсный характер, эквивалентны разрядам в некоторых частичных емкостях, множество которых определяет электрические свойства изоляции объекта 1 (ЭТО). Частотный спектр ЧР находится в диапазоне от 50 Гц до десятков ГГц.
п
0
Основной уровень помех при измерениях ЧР в эксплуатационных условиях определяется стримерной короной при положительной полярности напряжения, превышающего уровни напряжений двух других фаз. Уровень основных помех от короны на порядок выше уровня аналогичных помех в другом (отрицательном) полупериоде фазного напряжения, что хорошо видно на графиках фиг.2, приведенных в монографии П.М. Сви «Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения» - М., Энергоатомиздат, 1992, с. 237. Уровни помех от стримерной короны (интервалы а-в, в-с, c-d) практически совпадают во всех фазах. Кривая 1 представляет собой огибающую кажущегося заряда q помех от стримерной короны для ТТ-750 (основная частота разрядов короны f=30 кГц), а кривая 2 - напряжения фаз А, В, С сети.
Измерения ЧР должны производиться на временных интервалах k-m, к'-m', к''-m'', на которых помехи от стримерной короны минимальны. При «здоровой» изоляции фаз электротехнического объекта уровни сигналов во
всех фазах будут минимальны и примерно одинаковы. Если же уровень, измеренный в одной или двух фазах, превышает уровень в третьей, тогда фиксируется наличие ЧР. Такой способ обработки результатов измерений обеспечивает скользящую уставку сигнализации, адаптированную к уровню помех, и, следовательно, обеспечивает более раннее выявление дефекта.
A
B
C
A
B
C
A
B
C
Импульсные процессы от ЧР «накладываются» на гармонический сигнал тока утечки через изоляцию повреждающейся фазы, частота которого совпадает с частотой фазных напряжений объекта контроля 1 (ЭТО). Результирующие сигналы поступают на входы блоков присоединения 5 (БПО), 6 (БПО), 7 (БПО) к объекту, на коаксиальные радиочастотные кабели 8 (РК), 9 (РК), 10 (РК) и на входы и выходы блоков защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений 12 (БЗ), 13 (БЗ), 14 (БЗ).
A
B
C
A
B
C
Выходы блоков защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений 12 (БЗ), 13 (БЗ), 14 (БЗ) циклически и поочередно подключаются блоком коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) на оптоэлектронных реле ко входам полосового фильтра «нижних» частот 17 (ПФНЧ) и полосового фильтра «верхних» частот 18 (ПФВЧ). Полосы пропускания полосового фильтра нижних частот 17 (ПФНЧ) и полосового фильтра верхних частот 18 (ПФВЧ) выбираются с учетом интенсивности спектра электромагнитных помех, вносимых устройствами телемеханики подстанции, местными теле и радиостанциями, в месте установки устройства непрерывного автоматизированного контроля состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа трехфазного высоковольтного электротехнического оборудования под рабочим напряжением по параметрам частичных разрядов. Поочередная коммутация выходов блоков защиты от аварийных и коммутационных перенапряжений 12 (БЗ), 13 (БЗ), 14 (БЗ) осуществляется по программе, реализуемой микроконтроллером вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ).
Ухудшение главной изоляции одной из фаз объекта 1 (ЭТО) приводит к тому, что сигналы на выходах полосовых фильтров 17 (ПФНЧ) и 18 (ПФВЧ) при измерениях на этой фазе окажутся существенно больше по амплитуде, чем при измерениях на двух других «здоровых» фазах объекта. При этом средние значения сигналов на выходах измерителя среднего значения напряжения 22 (ИСЗН1) и нормирующего усилителя 25 (НУ1) равно как и измерителя среднего значения напряжения 23 (ИСЗН2) и нормирующего усилителя 26 (НУ2), соответствующие измерениям на повреждающейся фазе объекта 1 (ЭТО), окажутся выше, чем на «здоровых» фазах объекта контроля. Если кратность отношения сигналов повреждающейся и здоровых фаз окажется больше заданной, например в 3-5 раз, то вычислительно-логический блок 29 (ВЛБ) выдает сигнал на блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов 30 (БС), с которого сигнал поступает на пульт контроля изоляции для оповещения эксплуатационного персонала о ситуации, близкой к аварийной.
A
B
C
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является полная гальваническая развязка основных блоков групповой коммутационной сборки 11 (ГКС) от контролируемого высоковольтного электротехнического объекта 1 (ЭТО). Это является гарантией высокой эксплуатационной надежности и ремонтопригодности (восстанавливаемости) устройства контроля изоляции. Гальваническая развязка в трех каналах измерения ЧР достигается за счет подключения к объединенным выходам оптоэлектронных реле блока коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) диодного оптрона 28 (ДО), выход которого подключен ко входам фильтров 17 (ПФНЧ) и 18 (ПФВЧ). Блок коммутатора измерительных каналов фаз 15 (БК) на оптоэлектронных реле управляяется микроконтроллером вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ). Гальваническая развязка реализуется также в канале формирования временных интервалов (окон), на которых разрешается измерения частотного спектра ЧР для трех измерительных каналов электротехнического объекта 1 (ЭТО). Блок формирования временного окна 16 (ФВО) содержит фильтры низких частот 19 (ФНЧ), 20 (ФНЧ), 21 (ФНЧ) с полосой пропускания 0-50 Гц, на выходах которых получаются напряжения, пропорциональные токам утечки через изоляцию фаз объекта контроля на частоте 50 Гц. Фазочастотная характеристика указанных ФНЧ мало зависит от порядка фильтра. Так, например, для фильтров Бесселя второго, четвертого и шестого порядков отставание вектора выходного напряжения от входного составляет порядка 55 электрических градусов. Для того, чтобы совместить по фазе вектор выходного напряжения ФНЧ с вектором соответствующего фазного напряжения, необходимо сообщить ему дополнительное отставание по фазе на 35 электрических градусов. Во временной области для частоты 50 Гц эта задержка составляет 1,942 мс. Эта временная задержка выполняется с помощью внутреннего таймера микроконтроллера вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ).
A
B
C
Запуск внутреннего таймера микроконтроллера осуществляется с помощью компаратора напряжения 27 (К) и диодного оптрона 28 (ДО). Последний обеспечивает вторую гальваническую развязку вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ) и объекта контроля 1 (ЭТО). Как следует из кривых 2 напряжений фаз сети на фиг.2 интервалы времени, на которых необходимо запретить измерения ЧР из-за высокого уровня помех от стримерной короны, соответствуют в положительные полупериоды каждого из фазных напряжений электрическим углам от 30 до 90 электрических градусов. Начальное значение указанного интервала в предлагаемом устройстве автоматически обеспечивается с помощью трехфазного активного однополупериодного выпрямителя 24 (АВ), входы которого соединены с выходами фильтров низких частот 19 (ФНЧ), 20 (ФНЧ), 21 (ФНЧ), а на входе формируется напряжение, совпадающее по форме с огибающей «положительных» полупериодов выпрямленного трехфазного напряжения. Интервалы времени, на которых запрещаются измерения ЧР, выделены на кривых фазных напряжений фиг.1 линиями повышенной толщины. Начало каждого из
m
m
таких интервалов соответствует углу в 30 электрических градусов (π/6 электрических радиан) или мгновенному значению напряжения, равному половине максимального напряжения фазного сигнала, т.е. 0,5U. Поэтому порог срабатывания компаратора напряжения 27 (К) должен быть равен 0,5U. Для того, чтобы избежать погрешностей из-за наличия в прямых ветвях полупроводниковых диодов выпрямителя неодинаковых по величине пороговых напряжений открытия, временной и температурной нестабильности параметров трех диодов выпрямителя, активный трехфазный однополупериодный выпрямитель выполнен активным, т.е. на трех операционных усилителях по известной в технической литературе схеме [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л: Атомиздат, 1988. С-303].
1
Такой активный трехфазный однополупериодный выпрямитель 24 (АВ) имеет по каждому входу на прямой ветви вольт-амперной характеристики пороговое напряжение открытия практически равное нулю. Это позволяет стабильно обеспечить подачу сигнала с выхода компаратора напряжения 27 (К) на вход внешнего прерывания микроконтроллера вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ) в моменты времени, соответствующие точкам пересечения кривых положительных полупериодов фазных напряжений сети. Высокочастотный диодный оптрон 28 (ДО) имеет время запаздывания выходного сигнала при скачкообразном изменении входного сигнала порядка 10 мкс, т.е. его для промышленной частоты 50 Гц с полупериодом, равным 10000 мкс, его можно считать безинерционным звеном. Внутренний таймер микроконтроллера вычислительно-логического блока 29 (ВЛБ), запускаемый от компаратора напряжения 27 (К) с помощью диодного оптрона 28 (ДО), функционирует в два этапа. На первом этапе он обеспечивает задержку времени Δt, равную
ФНЧ
где φ фазовый сдвиг фильтра низких частот, выраженный в радианах, ω=2πf - угловая скорость вектора напряжения сети при частоте f=50 Гц.
1
1
Как отмечено выше, интервал Δt в зависимости от порядка ФНЧ составляет порядка 1,942 мс. Интервал времени Δt устанавливается программно и однозначно в зависимости от вида фазочастотной характеристики ФНЧ. На втором этапе, который начинается сразу по окончанию первого, запрещается обработка измерений ЧР. Длительность интервала времени At2, соответствующая второму этапу, равна
2
Следующий за Δt интервал в 3,333 мс является разрешенным для выполнения измерений частотного спектра ЧР. В установившемся режиме работы
устройство функционирует таким образом, что интервалы запрета и интервалы разрешения измерений ЧР, равные каждый 3,333 мс, поочередно сменяют друг друга. При этом блок формирователя временного окна 16 (ФВО) обеспечивает строгую синхронизацию чередующих интервалов запрета и разрешения измерений ЧР с фазными напряжениями сети, к которой подключен объект контроля 1 (ЭТО).
Если при выполнении измерений окажется, что уровни среднего значения напряжения на выходах полосовых фильтров 17 (ПФНЧ) и 18 (ПФВЧ) для одного из каналов контролируемых фаз окажутся в 3-5 раз больше, чем соответствующие напряжения для двух других фаз объекта контроля, то вычислительно-логический блок 29 (ВЛБ) выдает сигнал на блок сигнализатора превышения допустимого уровня частичных разрядов 30 (БС), оповещающий оперативный персонал об обнаружении ЧР.
Предлагаемое устройство обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
- более высокой помехозащищенностью каналов измерения ЧР в изоляции фаз электротехнического объема за счет устранения протяженных каналов связи от трехфазного измерительного трансформатора напряжения системы шин РУ до блока 11 (ГКС), устанавливаемого непосредственно на контролируемом объекте;
- повышенной точностью измерений на выбранных участках частотного спектра ЧР за счет использования для всех каналов одной схемы формирования временных интервалов, на которых запрещаются измерения частотного спектра ЧР из-за больших помех от стримерной короны;
- повышенной эксплуатационной надежностью за счет полной гальванической развязки низковольтных блоков устройства контроля с блоками присоединения к высоковольтному электротехническому объекту.