СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
METHOD TO MONITOR TECHNICAL CONDITION OF CURRENT-CONDUCTING PARTS IN ELECTRICAL EQUIPMENT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля технического состояния токоведущих частей электрооборудования, находящихся под токовой нагрузкой.
Известен способ контроля электрических соединений [1], включающий подачу через линию связи на соединитель электрических сигналов, внешнее воздействие на соединитель, контроль в процессе воздействия параметров соединителя.
Недостатком способа является невысокая достоверность контроля соединителей из-за невозможности контроля соединителей в промежуточном («третьем») состоянии или в режиме «сбоя».
Известен способ контроля электрических соединений [2], включающий подачу через линию связи на соединитель электрических сигналов, контроль параметров соединителя в процессе внешнего воздействия, при этом контролируют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) соединителя в диапазоне частот от 0,01 до 100 МГц, регистрируют наличие резонансных частот АЧХ, по наличию резонансных частот судят о наличии состояния «сбой» у контролируемого соединения.
Недостатком известного способа также является невысокая достоверность контроля соединителей. Известный способ основан на физическом принципе связи между качеством контролируемого элемента электрооборудования и его амплитудно-частотной характеристикой. Данный способ позволяет диагностировать только два состояния: норма-сбой, не оценивая степень неисправности, и, следовательно, не способен диагностировать развитие дефектов на ранней стадии и давать информацию о возможном продолжении эксплуатации. Известный способ опирается не на электрические характеристики соединения, а на структурные свойства материала, поэтому соединение лучшего качества им может быть диагностировано как неисправность. Известным способом невозможно провести контроль на работающем оборудовании.
Известен способ контроля состояния электрооборудования [3], предусматривающий применение тепловизоров для регистрации распределения температуры по поверхности электрооборудования, находящегося под напряжением. Этим известным способом определяют дефектности внешних поверхностных частей электрооборудования.
Недостаток известного способа состоит в том, что он не позволяет выявлять дефекты, связанные с разрядами во внутренних частях контролируемого электрооборудования.
Известен способ контроля технического состояния высоковольтного оборудования [4], при котором производят измерение и регистрацию диагностических параметров в режиме мониторинга, измеренные и зарегистрированные параметры сопоставляют с нормированными значениями. Определяют диагностические параметры, которые превысили нормативные значения и соответствующие им показатели, характеризующие уменьшение стойкости к отказу. Определяют время ожидаемого отказа на основе его расчетной зависимости в момент регистрации диагностических параметров, превысивших нормативный уровень, используя показатель, характеризующий уменьшение стойкости к отказу. На основании времени ожидаемого отказа и времени возникновения дефектов превышения диагностических параметров нормативного уровня, обнаруженных при мониторинге, определяют остаточный ресурс.
Недостатком известного способа является то, что он, во-первых, относится к контролю технического состояния высоковольтного оборудования, а именно силовых трансформаторов, и не может быть эффективно использован при оперативном контроле технического состояния токоведущих частей электрооборудования вследствие его сложности и неоперативности. Во-вторых, известный способ не способен оценивать токоведущие части по их функциональному назначению, т.к. имеет критерием другой признак - устойчивость к отказам. Известный способ требует продолжительного и непрерывного мониторинга состояния диагностирования электрооборудования.
с
н
с
н
T
Прототипом предложенного способа может служить способ [5], положенный в основу норм тепловизионного контроля электрооборудования и воздушных линий электропередач. Согласно известному способу тепловизором измеряют температуру нагрева контактного соединения (зона существенного теплового влияния) и температуру нагрева присоединенного к нему проводника (зона несущественного теплового влияния), отстоящего от контактного соединения на расстоянии не менее 1 м. Определяют превышение температуры ΔT и ΔT в этих зонах как разность между измеренной тепловизором температурой нагрева и температурой окружающей среды. После чего находят критерии качества - коэффициент дефектности  электрооборудования как отношение превышения температуры контактного соединения (ΔT) к превышению температуры провода (ΔT); отстоящим от контактного соединения на расстоянии не менее 1 м. По коэффициенту дефектности K оценивают тепловое состояние токоведущей части электрооборудования.
Недостаток предложенного способа состоит в том, что он не способствует выявлению дефектов на ранней стадии их развития. Кроме того, строго определено место измерения температуры. Это непосредственно контактное соединение и проводник, отстоящий от него на расстоянии не менее 1 м. Практически эти условия не всегда выполнимы. Кроме того, контроль опирается непосредственно только на тепловое состояние электрооборудования, а не на его электрические характеристики, а также не учитывает различий теплотехнических характеристик КС и проводника. Все вышесказанное влияет на достоверность и точность диагностирования дефектности, а следовательно, и на точность контроля технического состояния токоведущих частей электрооборудования.
Технический результат, на достижение которого направлено предложенное изобретение, заключается в повышении точности контроля технического состояния токоведущих частей электрооборудования за счет выявления зависимости теплового состояния токоведущих частей от их технического состояния, т.е. от электрического сопротивления, в рабочем режиме, когда электрооборудование находится под токовой нагрузкой.
с
н
Общим в заявленном способе контроля технического состояния токоведущих частей электрооборудования и в прототипе является то, что предусмотрено применение устройства регистрации распределения температуры по поверхности контролируемых токоведущих частей электрооборудования. Выделение на них двух зон, соответственно зоны существенного теплового влияния и зоны несущественного теплового влияния. Определение превышения ΔT и ΔT температуры нагрева двух зон над температурой окружающей их среды и нахождения отношения превышения температур  соответствующих зон.
с
н
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки: согласно типу контролируемой токоведущей части электрооборудования выбирают образец с нормированными техническими характеристиками. Испытывают выбранный образец, моделируя дефекты разной степени, влияющие на электрическое сопротивление токоведущей части. Пропускают через образец ток постоянной величины. Для каждого смоделированного дефекта определяют зависимость теплового состояния токоведущей части электрооборудования от технического состояния, характеризующегося электрическим сопротивлением цепи. Для этого определяют отношение  превышения температуры  зоны существенного теплового влияния (образца) к превышению температуры  зоны несущественного теплового влияния образца и отношение  электрического сопротивления  зоны существенного теплового влияния образца к электрическому сопротивлению  зоны несущественного теплового влияния образца. Определяют отношение  превышения температур контролируемой токоведущей части электрооборудования и сравнивают его с отношением  превышений температур образца. Затем, используя полученную для образца зависимость, определяют отношение  электрического сопротивления (R) зоны существенного теплового влияния к электрическому сопротивлению (R) зоны несущественного теплового влияния контролируемой токоведущей части электрооборудования и по полученному отношению  делают вывод о качественном состоянии контролируемой токоведущей части электрооборудования.
Отличительные признаки формулы заявленного способа контроля токоведущих частей электрооборудования обеспечивают достоверность и точность диагностирования их дефектности, т.к. позволяют выстроить зависимость теплового состояния токоведущих частей от их технического состояния в рабочем режиме под токовой нагрузкой.
Из сказанного следует что предложенная совокупность общих и отличительных признаков заявленного способа обеспечивает достижение желаемого технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, так как оно не следует явным образом из известных технических решений и пригодно для практического применения.
Сущность заявленного способа поясняется графиками, где на:
фиг.1 - зависимость отношения превышений температур токоведущей части электрооборудования от отношения его электрического сопротивления для различных сечений проводника;
фиг.2 - пример реализации способа.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Контроль технического состояния токоведущих частей электрооборудования, состоящих, как правило, из контактных соединений (КС) и проводников, находящихся под токовой нагрузкой, осуществляют устройством регистрации распределения температуры по их поверхности. Таким устройством может быть тепловизор.
Согласно шестому изданию «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [5] для этих целей применяют тепловизоры с разрешающей способностью не хуже 0,1°С со спектральным диапазоном 8-12 м.
с
н
с
н
с
н
Указанным тепловизором с помощью термограмм выделяют две зоны на контролируемом электрооборудовании: зону существенного теплового влияния и зону несущественного теплового влияния. Определяют температуру (Т) проводника в зоне существенного теплового влияния - это, как правило, вблизи КС (она такая, как и температура самого контактного соединения), а затем температуру проводника (T) в точке, после которой температура проводника перестает меняться, - это зона несущественного теплового влияния. Экспериментально было установлено, что эта точка удалена от зоны существенного теплового влияния на расстояние, равное не менее 50 диаметрам проводника. Затем измеряют температуру окружающей среды вблизи этих зон и рассчитывают превышение измеренной температуры T и T в установленных точках проводника над температурой окружающей среды соответственно как ΔT и ΔT.
с
н
Рассчитывают отношение  превышения температуры ΔT зоны существенного теплового влияния к превышению температуры ΔT зоны несущественного теплового влияния контролируемой токоведущей части электрооборудования. Полученное отношение не дает представления о качестве контролируемого электрооборудования, так как не содержит сведений о его основных электрических характеристиках, которые являются первостепенными в электротехнике. Для того чтобы судить о качестве контролируемого электрооборудования необходимо от тепловой характеристики перейти к электрической характеристике - сопротивлению. Для этого в заявленном способе предлагается выбрать образец согласно типу контролируемой токоведущей части электрооборудования с нормированными техническими характеристиками, т.е. с известными значениями сопротивления контактного соединения  и сопротивления проводника . После чего испытывают выбранный образец в аналогичных условиях теплообмена, пропуская через него ток постоянной величины и моделируя дефекты разной степени, влияющие на электрическое сопротивление токоведущей части (например, изменяя сопротивление КС). Для каждого смоделированного дефекта определяют зависимость теплового состояния токоведущей части электрооборудования от технического. Для чего для каждого смоделированного дефекта определяют отношение  электрического сопротивления () зоны существенного теплового влияния образца к электрическому сопротивлению () зоны несущественного теплового влияния образца и соответствующее ему отношение  превышения температуры  зоны существенного теплового влияния к превышению температуры () несущественного теплового влияния образца. После рассчитанных данных для каждого смоделированного для образца дефекта строят графическую зависимость (фиг.1) теплового состояния токоведущей части электрооборудования от технического, откладывая соответственно по вертикальной оси , а по горизонтальной . Для каждого сечения проводника получают свою зависимость. Затем определяют качество контролируемой токоведущей части электрооборудования, для чего отношение превышении температур  контролируемой токоведущей части, определенное ранее, сравнивают с отношением превышения температур  образца, откладывая его значение на вертикальной оси и используя кривую зависимости, находят отношение , т.е. электрическую характеристику контролируемого электрического оборудования. И уже по ней судят о его качестве.
Пример
2
Для примера реализации заявленного способа использовали разборное (болтовое) соединение жил изолированных проводов сечением 1,5 мм. Токовая нагрузка была равна 10 ампер. В качестве устройства регистрации распределения температуры по поверхности электрооборудования использовали тепловизор THV 550 с объективом камеры FoV 20.
2
В качестве образца использовали электрооборудование, аналогичное контролируемому, с гостированными характеристиками. По ГОСТу провод ПВ-3 сечением 1,5 мм (диаметром 3,2 мм) при длине в 1 км и температуре окружающей среды t=20°C (имеет электрическое сопротивление R=13,2 Ом).
Работать с проводником в 1 км неудобно. Переходим на удобную для проведения эксперимента длину.
Экспериментально было установлено, что расстояние между зоной существенного теплового влияния и зоной несущественного теплового влияния не должно быть меньше 50 диаметров проводника. Тогда для проводника ПВ-3 - 1,5 расстояние между зонами должно быть не менее:
50×3,2 мм=160 мм=1,6 см.
Учитывая это, для проведения способа берем проводник произвольной длины, например 81 см, это не менее 1,6 см. Пересчитав тестированные показатели для нашей длины проводника при t=20°C, имеем его нормированное электрическое сопротивление .
2
Для проведения расчетов и построения зависимости берем проводник, аналогичный контролируемому, сечением 1,5 мм и длиной 81 см, разрезаем его пополам и соединяем две полученные половинки разъемным болтовым контактным соединением, пропуская через проводник и КС ток в 10 ампер, определяем сопротивление КС .
Измеряют тепловизором температуру проводника у КС и температуру проводника на расстоянии 40,5 см от КС. Измеряют температуру окружающей среды в этих зонах.
Имеем:
t среды=24°С;
Определяют превышения температур:
;
Находим для образца первую точку будущей зависимости теплового состояния токоведущей части электрооборудования от его технического состояния (от сопротивления) (фиг.2)
Для построения зависимости моделируем дефекты, изменяя и измеряя сопротивление КС. Для этого загрубляем соединение, выкручивая болт и ослабляя соединение проводника с КС, для каждого дефекта измеряем сопротивление, в частности для построения кривой, достаточно смоделировать три дефекта и для каждого из них определить значение «x» и «y».
I загрубление:
ср
t=24,5°С;
II загрубление:
ср
t=22,2°С;
III загрубление:
ср
t=20,8°С;
Откладывая полученные значения по оси «x» и «y», строим для образца кривую зависимости теплового состояния токоведущей части электрооборудования от сопротивления (фиг.2). После этого тепловизором на контролируемом соединении выделяют две зоны, одна из которых - зона существенного теплового влияния, а другая - зона несущественного теплового влияния. Измеряют температуру в этих зонах и температуру окружающей среды. Определяют превышение измеренной в зонах температуры над температурой окружающей среды и отношение превышений
ср
с
н
с
н
t=23°C; Т=45,4°С; Т=28,6°С; ΔТ=22,4°С; ΔT=5,6°С;
Используя график (фиг.2), находят на оси «y» точку, равную  и по кривой зависимости (фиг.2) определяют значения .
2
Полученное отношение  сравниваем с нормированным отношением  для данной токоведущей части электрооборудования и на основании сравнения делаем вывод, что качество контролируемого соединения проводников сечением 1,5 мм в три с лишним раза хуже нормы.
Контролируемое соединение можно либо продолжать использовать, либо заменить. Каждая отрасль промышленности предъявляет свои требования к качеству электрооборудования и токоведущих частей и в зависимости от условий их работы, конструкции и места использования может определять регламент необходимого технического обслуживания при выявлении дефекта теплового состояния.
Применение предложенного способа позволит за счет определения зависимости теплового состояния токоведущей части электрооборудования от его технического состояния повысить достоверность и точность контроля, расширить область применения и использовать его для широкого класса электрооборудования, в частности для контрольно-измерительного оборудования.
Список литературы
1. Соединители низковольтные прямоугольные типа РППМ27. Технические условия ГЕО 364.234 ТУ, 1987, л.18.
2. Патент RU №2001413, кл. G01R 31/02 от 18.04.91 г.
3. Хренников А.Ю. и др. Электрические станции. 2001 г., №8 (стр. 48-52).
4. Патент RU №2403581, кл. G01R 31/00 от 10.04.08 г.
5. 029 Объем и нормы испытаний электрооборудования / Под общей редакцией Б.А.Алексеева и др. - 6-е изд. - М.: НЦ ЭНАС, 1998. - 256 стр. ББК 31.277.1:34.47
029 УДК 621.311.002.5.001.4