СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
METHOD AND APPARATUS FOR INDICATION OF THE ELECTRIC STATE OF POLYMER INSULATORS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при сооружении и эксплуатации электрических систем высокого напряжения.
Известны способы диагностики внутреннего электрического состояния полимерных изоляторов, применяемые в настоящее время: инфракрасная термография, ультрафиолетовое детектирование, измерение электрического поля. Высокая эффективность инфракрасной термографии и ультрафиолетового детектирования способов обнаружения электрически дефектных полимерных изоляторов, осуществляемых также с использованием летательных аппаратов, подтверждалась на практике. Но вместе с тем при этих методах имеет место высокая эффективность инфракрасной термографии и ультрафиолетового остается неопределенным уровень критичности электрического повреждения дефектного изолятора [1].
Кроме того, в настоящее время применяется прямой и количественный метод, заключающийся в измерении распределения электрических потенциалов вдоль изолятора. Сопоставляя матрицы распределения электрического поля контролируемого и эталонного, устанавливается место расположения поврежденного участка изоляции, скрытого под резиновой оболочкой и оценивается величина повреждения. Вследствие значительной трудоемкости такого способа, измерения выполняются выборочно на тех изоляторах, которые по данным визуальных наблюдений или наблюдений посредством инфракрасной термографии и ультрафиолетового детектирования идентифицированы как проблемные [2].
К общим недостаткам вышеперечисленных способов следует отнести проблематичность (невозможность) построения на их основе системы непрерывного контроля за состоянием полимерных изоляторов в онлайн режиме.
Известны устройства (индикаторы) пробоя высоковольтного оборудования; отделители тока короткого замыкания, присоединяемые к электродам контролируемого объекта, позволяющие визуально установить электрически полностью поврежденный объект на расстоянии. Общим этих устройств является то, что они состоят из неподвижного и подвижного токопроводящих элементов, соединенных между собой элементом, преобразующим опосредованно энергию тока (пробоя) короткого замыкания в механическую, способную отделить подвижную часть устройства и изменить ее конфигурацию, при этом результаты, полученные от таких манипуляций удается идентифицировать визуально в отдалении [3], [4].
К недостаткам этих устройств можно отнести то, что индикация состояния контролируемых объектов осуществляется только на конечной стадии электрического старения, характеризуемого пробоем.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является индикатор электрического состояния полимерных изоляторов, в котором индикация внутреннего электрического состояния полимерных изоляторов осуществляется регистрацией излучений, обусловленных старением электрической изоляции. Индикатор, присоединяемый последовательно к контролируемому полимерному изолятору, представляет собой тарельчатый изолятор, изоляционная деталь которого снабжена электропроводящим элементом. Электрическое старение внутренней изоляции приводит к увеличению разности потенциалов между электродами тарельчатого изолятора и электропроводящими элементами на поверхности диэлектрика. При достижении разности потенциалов критической величины, происходит устойчивое искровое перекрытие промежутков между электропроводящими элементами и электродами тарельчатого изолятора, но не переходящее в дуговую стадию разряда. Пороговое напряжение зажигания искрового разряда коррелируется с глубиною электрического повреждения изоляции полимерного изолятора. Параметрами индикации являются световые, звуковые излучения, сопровождаемые при искровых разрядах [5].
Основным недостатком данного устройства является технологическая сложность создания долговечных электропроводящих элементов на поверхности диэлектрика тарельчатого изолятора и неопределенности в индикации при пробое полимерного изолятора.
Цель настоящего изобретения заключается в существенном повышении эффективности обнаружения полимерных изоляторов с электрически поврежденной внутренней изоляцией еще на ранней стадии старения в режиме онлайн диагностики и визуализации полной потери электрической прочности изолятора, а также повышение эксплуатационной надежности устройства индикации. Вышеотмеченный положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных признаков способа и устройства индикации электрического состояния полимерных изоляторов, представленной в нижеследующей формуле изобретения: «способ индикации внутреннего электрического состояния полимерных изоляторов, включающий регистрацию излучений, обусловленных старением электрической изоляции; индикация осуществляется за счет устройства генерирования электромагнитных излучений, последовательно присоединенного с контролируемым изолятором, и последующей регистрации этих излучений с помощью использования приемника радиоволн; устройство индикации электрического состояния полимерных изоляторов; оно представляет собой генератор электромагнитных излучений, выполненный на основе емкостного накопителя электрической энергии с искровым промежутком и с более высокой удельной внутренней электрической прочностью, чем полимерный изолятор, по меньшей мере, один из электродов которого составлен из неподвижной и подвижной частей с элементом отделения или перемещения подвижной части при протекании тока короткого замыкания; емкостной накопитель электрической энергии выполнен в виде плоского конденсатора из диэлектрика; емкостной накопитель электрической энергии выполнен в виде изолятора тарельчатого типа; искровой промежуток выполнен в виде соосно расположенных кольцевых электродов; по меньшей мере, один из кольцевых электродов искрового промежутка выполнен в виде разомкнутого кольцевого электрода; искровой промежуток выполнен в виде коаксиальных электродов; искровой промежуток выполнен в виде штыревых электродов; искровой промежуток выполнен в виде системы электродов шар - шар; искровой промежуток выполнен в виде системы электродов штырь - плоскость; по меньшей мере, один электрод искрового промежутка расположен на поверхности диэлектрика накопителя энергии; по меньшей мере, один электрод накопителя энергии является электродом искрового промежутка».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана упрощенная схема осуществления предложенного способа и устройства индикации электрического состояния полимерного изолятора.
Схема заявляемого технического решения осуществляется следующим образом. Последовательно с контролируемым изолятором 1 присоединяется емкостной накопитель электрической энергии 2 с более высокой, чем изолятор 1, удельной электрической прочностью, зашунтированный искровым промежутком 3, генерирующим при искровом разряде 4 электромагнитные излучения в радиочастотном диапазоне, улавливаемые радиоволновым приемником 5. Один из электродов искрового промежутка 3 состоит из неподвижной 6 и подвижной 7 частей, соединенных между собой элементом отделения или перемещения 8 подвижной части 7 при протекании тока короткого замыкания.
В нормальном состоянии полимерного изолятора 1 напряжение на емкостном накопителе 2 не достаточно для перекрытия искрового промежутка 3. Электрическое старение внутренней изоляции контролируемого объекта 1 приводит к увеличению разности потенциалов на емкостном накопителе 2 по причине того, что происходит вытеснение электрического поля полимерного изолятора в накопитель 2. И при достижении пороговой для искрового промежутка 3 величины напряжения на накопителе 2, происходит устойчивое перекрытие искрового промежутка 3. При этом искровой разряд 4 не переходит в дуговую стадию разряда, поскольку ток сети ограничен сопротивлением неповрежденного участка изоляции. Предложенное устройство представляет собой слаботочный разрядник, обладающий эффектом триггера с собственным пороговым напряжением перехода от пассивного состояния в активное состояние, координируемым с глубиною электрического повреждения изоляции полимерного изолятора. Генерируемые при искровом разряде 4 электромагнитные излучения идентифицируются радиоволновым приемником 5 и, после соответствующей обработки, информация о состоянии изолятора передается в центр мониторинга в режиме реального времени. В случае полной потери электрической прочности полимерного изолятора 1, протекающий через расчлененный на две части электрод искрового промежутка 3 с элементом 8 преобразования тока короткого замыкания, приводит к отделению или перемещению подвижной части 7 электрода. Таким образом, визуально на расстоянии устанавливается пробитый изолятор 1.
Изобретение осуществляется и работает следующим образом:
Реализуемость предлагаемого изобретения была подтверждена на примере диагностики полимерных изоляторов на классы по напряжению 110-330 кВ. В качестве накопителя электрической энергии были использованы стандартные тарельчатые изоляторы из закаленного стекла, характеризуемого значительной более высокой внутренней электрической прочностью, чем полимерный изолятор, монтируемый последовательно полимерному изолятору на стороне высокого потенциала. Искровым промежутком являлся искровой промежуток в виде незамкнутых кольцевых электродов, присоединяемых к электродам тарельчатого изолятора с пороговым напряжением 10-30 кВ. Верхний электрод искрового промежутка был составлен из двух частей, соединенных между собой легкоплавким металлом (припоем). В качестве радиоволнового приемника служил тестер электромагнитных излучений ТМ-196, модернизированный авторами для регистрации пиковых величин. Экспериментально установлено, что полимерный изолятор класса 220 кВ с условным электрическим повреждением около 30% длины изолятора удавалось идентифицировать на расстоянии не менее 500 метров. При имитации полной потери электрической прочности путем закорачивания испытуемого изолятора происходило отделение подвижной части электрода искрового промежутка вследствие оплавления припоя.
Предлагаемый способ индикации электрического состояния полимерных изоляторов характеризуется существенно повышенной эффективностью обнаружения полимерных изоляторов с электрически поврежденной внутренней изоляцией еще на ранней стадии старения в режиме онлайн диагностики и визуализации полной потери электрической прочности изолятора при одновременно высокой эксплуатационной надежности устройства индикации (за счет генерирования электромагнитных излучений в контролируемом изоляторе с применением слаботочного разрядника и последующей регистрации этих излучений с помощью использования приемника радиоволн в режиме реального времени).
Источники информации:
[1] F. Schmuck, J. Seifert, I. Gutman, A. Pigini: ((Assessment of the condition of overhead line composite insulator», Paris, CIGRE-2012, b2-214.
[2] G.H. Vaillancurt, S. Carignan, and C. Jean, ((Experience with the detection of faulty composite insulators on high voltage power by the electric field measurement method», IEEE Trans. Power Delivery, vol. 13, no 2, pp. 661-666, Apr. 1998.
[3] Описание изобретения к патенту №2408962, «Отделитель», Н 01Т 1/14, заявлено 21.08.2009, опубликовано 10.01.2011.
[4] Патент Великобритании GB №2332106 А «Отделитель тока короткого замыкания», опубликован 09.06.1999.
[5] Описание изобретения к патенту №2699023, «Индикатор электрического состояния полимерных изоляторов (Варианты)», Н01В 17/46, заявлено 24.07.2018, опубликовано 03.09.2019.
[6] Описание изобретения к патенту РФ №2392679 «Индикатор состояния высоковольтной изоляции», Н01В 17/00, заявлено 10.06.2009, опубликовано 20.06.2010.
[7] Европейский патент № WO 2011089544 А2 «Индикатор пробоя изолятора», Н01В 17/46, опубликован 28.07.2011.
[8] Патент США №2011011621 А1 «Индикатор пробоя изоляции», Н01 В17/46, опубликован 20.01.2011.
[9] Описание изобретения к патенту РФ №2479057 «Индикатор пробоя полимерного изолятора и полимерный изолятор с индикацией пробоя», Н01В 17/46, заявлено 10.11.2011, опубликовано 10.04.2013.
[10] Описание изобретения к патенту РФ №2408104 «Штыревой изолятор с контролем внутренней изоляции», Н01В 17/46, заявлено 10.06.2009, опубликовано 27.12.2010.