СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОД РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА ГРУППЫ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и электроэнергетике и может использоваться на электрических станциях и подстанциях для автоматизированного эксплуатационного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования распределительных устройств, например, трансформаторов тока (ТТ) и вводов силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов под рабочим напряжением путем измерения характеристик частичных разрядов в изоляции.
В настоящее время одними из эффективных средств контроля состояния изоляции являются системы, производящие измерение характеристик частичных разрядов. При этом измеряются одна или несколько величин: кажущийся заряд, частота следования импульсов частичных разрядов, средний квадрат кажущихся зарядов, средняя мощность частичных разрядов.
Теоретические и экспериментальные исследования, см., например, Аксенов Ю.П. Мониторинг состояния высоковольтной изоляции электрооборудования энергетического назначения в эксплуатации и при ремонтах. - М.: Издательство «Научтехлитиздат», 2002, показали, что при контроле тока частичного разряда вместо измерения кажущегося заряда и других указанных выше характеристик частичных разрядов на несколько порядков увеличивается отношение «сигнал/шум», т.к. при этом измерения производятся в диапазоне частот 10...100 кГц вместо 1...30 МГц. Это дает возможность проводить измерения частичных разрядов в условиях индустриальных радиопомех без принятия мер по экранировке измерительной схемы.
Интенсивность частичных разрядов может быть определена с помощью измерителя радиопомех [Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. - Л.: Энергия, 1979], осуществляющего измерение тока высокочастотной помехи, возникающей при частичном разряде. Указанный измеритель помех (ИП) представляет собой высокочастотный микровольтметр, имеющий малую ширину полосы пропускания, регулируемую среднюю частоту и в качестве индикаторного устройства квазипиковый вольтметр с заданными постоянными времени заряда и разряда. Подключение ИП к объекту контроля производится с помощью соединительного конденсатора, переменной индуктивности, шунтирующего разъединителя, первого малоиндуктивного резистора, параллельно которому включен защитный разрядник, и коаксиального кабеля, замкнутого на второй малоиндуктивный резистор. Недостатком данного устройства является трудность его практического использования для эксплуатационного контроля, т.к. оно предназначено для осуществления лабораторных измерений.
Известно устройство контроля высокочастотной помехи на шинах распределительного устройства высокого или сверхвысокого напряжения - сигнализатор частичных разрядов, выполненный по схеме включения измерителя радиопомех в цепь соединительного конденсатора [Сви П.М. Измерение частичных разрядов в изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем. М.: «Энергия», 1977]. В условиях эксплуатации указанное устройство подключено к выходу фильтра присоединения в цепи емкостного делителя напряжения (НДЕ) и состоит из блока защиты от импульсных перенапряжений, первого детектора, компаратора, второго детектора, органа выдержки времени на срабатывание и выходного реле. Первый и второй детекторы, а также компаратор по существу представляют собой измеритель радиопомех.
Недостатком данного устройства является его невысокая селективность: оно обеспечивает общую сигнализацию о повреждении изоляции элементов распределительного устройства (РУ) или вводов силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов (далее вводы) без указания на конкретный элемент с поврежденной изоляцией. Дополнительным недостатком устройства является зависимость его чувствительности от количества элементов РУ. Благодаря этим элементам помимо пути через НДЕ и фильтр присоединения с измерителем радиопомех появляются шунтирующие пути замыкания на землю токов частичных разрядов через емкости изоляции другого оборудования. Указанное явление может привести к недостаточной чувствительности устройства к развивающимся повреждениям изоляции. Кроме того, следует отметить влияние на чувствительность и селективность устройства высокочастотных помех, обусловленных коронными разрядами на проводах высоковольтного оборудования. Отмеченные явления могут привести к недостаточной чувствительности устройства к развивающимся повреждениям изоляции.
Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемой полезной модели (прототипом) является система контроля изоляции вводов силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов типа УКИ, состоящая из высокочастотного трансформатора тока, блока присоединения, анализатора частичных разрядов (измерителя радиопомех), осциллографа и компьютера со специальным программным обеспечением для анализа тока частичного разряда (Аксенов Ю.П. Мониторинг состояния высоковольтной изоляции электрооборудования энергетического назначения в эксплуатации и при ремонтах. - М.: Издательство «Научтехлитиздат», 2002).
Недостатком указанной системы является то, что она предназначена только 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 четыре недели. В результате существует реальная опасность вовремя не обнаружить повреждение изоляции из-за относительно редкого контроля. Сокращение периода контроля не всегда возможно по условиям загрузки эксплуатационного персонала.
Задача, положенная в основу полезной модели, заключается в обеспечении автоматизированного эксплуатационного контроля состояния под рабочим напряжением бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа группы трехфазного электротехнического оборудования, а также в обеспечении селективной сигнализации о повреждении любого из контролируемых объектов, относящихся к данному распределительному устройству или вводам при наличии высокочастотных помех, вызванных коронными разрядами.
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, заключается в предупреждении возможности катастрофических отказов электротехнического оборудования с отягчающими последствиями (взрыв, пожар, повреждение находящегося вблизи оборудования и др.).
Поставленная задача решается тем, что в системе автоматизированного контроля состояния под рабочим напряжением бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа группы трехфазного электротехнического оборудования, содержащей в цепях каждой фазы каждого контролируемого объекта подключенные к низкопотенциальному измерительному выводу и точке заземления соответствующей фазы контролируемого объекта малоиндуктивный резистор и коаксиальный кабель, вход которого подключен к указанному резистору, а к выходу коаксиального кабеля подключен вход преобразователя «ток-напряжение», к выходу которого подключен вход измерителя радиопомех, причем в каждой фазе системы выходы измерителей радиопомех всех контролируемых объектов подключены ко входу макси-селектора сигналов, общего на данную фазу системы, выход которого подключен ко вторым входам сигнальных блоков данной фазы всех контролируемых объектов.
Кроме того, в системе автоматического контроля под рабочим напряжением блок сравнения каждой фазы каждого контролируемого объекта состоит из элемента сравнения, первый вход которого подключен к выходу измерителя радиопомех данной фазы контролируемого объекта, а второй вход подключен к выходу макси-селектора сигналов данной фазы; сумматора, ко входам которого подключены выходы измерителей радиопомех двух других фаз контролируемого объекта; масштабных преобразователей, подключенных к выходу сумматора; компараторов, к первым входам которых подключен выход измерителя радиопомех данной фазы контролируемого объекта, ко вторым входам подключены, соответственно, выходы масштабных преобразователей, а к третьим входам подключен источник напряжения смещения; элементов совпадения И, к первым входам которых подключены, соответственно, выходы компараторов, а ко вторым входам - выход элемента сравнения, а выходы элементов совпадения И подключены, соответственно, к входам элементов сигнального блока контролируемого объекта, причем число масштабных преобразователей равно числу сигнальных элементов сигнального блока.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемой системы; на фиг.2 - функциональная схема блока сравнения и сигнального блока, а на фиг.3 - одна из возможных функциональных схем измерителя радиопомех.
В
В
В
В
В
В
В
В
В
А
С
А
С
А
С
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В)
В
В
В
В
В
В
К группе трехфазного электротехнического оборудования с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа I, показанной на фиг.1, подключена предлагаемая система контроля II (на фиг.1 показаны контролируемые объекты и элементы системы контроля только одной фазы В, т.к. все фазы выполнены одинаково). Группа трехфазного электротехнического оборудования с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа I содержит контролируемые объекты 1 (КО1), 2 (КО2), ..., n (КОn), представленные емкостями изоляции С11, С12; С21, С22; ...; Сn1, Сn2. Две другие фазы (КО1) и (КО1), (КО2) и (КО2), ..., (КОn) и (КОn) контролируемых объектов (КО1), (КО2), ..., (КОn), на фигуре 1 не показаны. К низкопотенциальным измерительным выводам 3 (ИВ1), 4 (ИВ2), ..., 5 (ИВn) и точкам заземления 6 (З1), 7 (З2), ..., 8 (Зn) каждой фазы контролируемых объектов 1 (КО1), 2 (КО2), ..., n (КОn) подключены элементы системы II - малоиндуктивные резисторы 9 (R1), 10 (R2), ..., 11 (Rn) и входы коаксиальных кабелей 12 (РК1), 13 (РК2), ..., 14 (РКn). К выходам указанных кабелей подключены преобразователи «ток-напряжение» 15 (ПТН1), 16 (ПТН2), ..., 17 (ПТНn), к выходам которых соответственно подключены входы измерителей радиопомех 18 (ИП1), 19 (ИП2), ..., 20 (ИПn). Преобразователи «ток-напряжение» могут быть выполнены с помощью резисторов или промежуточных трансформаторов тока, нагруженных на резисторы. Выходы всех измерителей радиопомех 18 (ИП1), 19 (ИП2), ..., 20 (ИПn) каждой фазы системы подключены к входу общего на фазу системы макси-селектора сигналов 21 (МАХ). Первые входы блоков сравнения 22 (БС1), 23 (БС2), ..., 24 (БСn) подключены, соответственно, к выходам измерителей радиопомех 18 (ИП1), 19 (ИП2), ..., 20 (ИПn), а вторые входы указанных блоков 22 (БС1), 23 (БС2), ..., 24 (БСn) подключены к выходу макси-селектора сигналов 21 (МАХ. Выходы блоков сравнения 22 (БС1), 23 (БС2), ..., 24 (БСn) подключены ко входам сигнальных блоков 25 (СБ1), 26 (СБ2), ..., 27(СБn).
В
В
В
В
В
В
В
В
А
С
А
С
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
СМ
В
В
В
Функциональные схемы блока сравнения 22 (БС1) и сигнального блока 25 (СБ1) приведены на фиг.2. К первому входу блока сравнения 22 (С1) подключены выход измерителя радиопомех 18 (ИП1) и первый вход элемента сравнения 28 (ЭС1). Ко второму входу указанного элемента сравнения 28 (ЭС1) подключен выход макси-селектора сигналов 21 (МАХ). К третьему и четвертому входам блока сравнения 22 (БС1) подключены выходы измерителей радиопомех ИП1 и ИП1 с двух других фаз контролируемого объекта (КО1 и КО1) и, соответственно, первый и второй входы сумматора 29 (С1). К выходу последнего подключены входы масштабных преобразователей 30 (МП11), 31 (МП12), ..., 32 (МП1m). К первым входам компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) подключен выход измерителя радиопомех 18 (ИП1); ко вторым их входам соответственно подключены выходы масштабных преобразователей 30 (МП11), 31 (МП12), ..., 32 (МП1m), а к третьим их входам подключен источник постоянного напряжения смещения 36 (U). Выходы компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) подключены к первым входам элементов совпадения 37
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
(И11), 38 (И12), ..., 39 (И1m), выходы которых подключены к входам сигнального блока 25 (СБ1). Сигнальный блок 25 (СБ1) состоит из сигнальных элементов 40 (СЭ11), 41 (СЭ12), ..., 42 (СЭ1m), входы которых подключены к выходам элементов совпадения 37 (И11), 38 (И12), ..., 39 (И1m). Блоки сравнения 23 (БС2), ..., 24 (БСn) и сигнальные блоки 26 (СБ2), ..., 27 (СБn) выполнены соответственно аналогично.
В
В
В
В
В
В
На фиг.3 в качестве примера приведена одна из возможных функциональных схем измерителя радиопомех 18 (ИП1). Она содержит последовательно включенные полосовой фильтр 43 (ПФ1), активный выпрямитель 44 (АВ1) и сглаживающий фильтр 45 (СФ1). Измерители радиопомех 19 (ИП2), ..., 20 (ИПn) выполнены аналогично.
Удобно проводить анализ поведения системы в трех характерных режимах:
- исправное состояние бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа всех контролируемых объектов группы трехфазного электротехнического оборудования, коронные разряды в изоляции отсутствуют;
- исправное состояние бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа всех контролируемых объектов группы трехфазного электротехнического оборудования при наличии коронных разрядов;
- частичные разряды в бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа всех контролируемых объектов группы трехфазного электротехнического оборудования.
Система работает следующим образом.
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
B
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
СМ
Рассмотрим исправное состояние бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа всех контролируемых объектов группы трехфазного электротехнического оборудования I при отсутствии коронных разрядов на элементах 1 (КО1), 2 (КО2), ..., n (КОn). При этом в напряжениях между измерительными выводами 3 (ИВ1), 4 (ИВ2), ..., 5 (ИВn) и соответственными точками заземления 6 (З1), 7 (32), ..., 8 (Зn) отсутствуют составляющие с частотами, характерными для частичных разрядов. Указанные составляющие отсутствуют также во входных сигналах системы II - напряжениях на малоиндуктивных резисторах 9 (R1), 10 (R1), ..., 11 (Rn), в токах коаксиальных кабелей 12 (РК1), 13 (РК2), ..., 14 (РКn) и в напряжениях на выходах преобразователей «ток-напряжение» 15 (ПТН1), 16 (ПТН2), ..., 17 (ПТНn). Сигналы на выходах измерителей радиопомех 18 (ИП1), 19 (ИП2), ..., 20 (ИПn) также отсутствуют, так как указанные измерители выделяют из входных сигналов составляющие, характерные для частичных разрядов. На выходе макси-селектора сигналов 21 (МАХ) отсутствует сигнал с частотами, характерными для частичных разрядов в изоляции. Напряжения на входах блоков сравнения 22 (БС1), 23 (БС2), ..., 24 (БСn) не превышают значения начального порога срабатывания компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) фазы В контролируемого объекта КО1. Начальный порог срабатывания задается источником постоянного напряжения смещения 36 (U). Данное напряжение необходимо для обеспечения отстройки от помех, возникающих в каналах связи при отсутствии коронных разрядов. Оно
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
задает начальный порог срабатывания компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) при отсутствии процентного торможения. Благодаря этому компараторы 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) находятся в несработанном состоянии и сигналы на первых входах элементов совпадения 37 (И11), 38 (И12), ..., 39 (И1m) равны нулю. По этой причине сигналы на выходах элементов совпадения 37 (И11), 38 (И12), ..., 39 (И1m) также равны нулю. Сигнальные элементы 40 (СЭ11), 41 (СЭ12), ..., 42 (СЭ1m) сигнального блока 25 (СБ1) не выдают сигналы о неисправности изоляции фазы В контролируемого объекта 1 (КО1). Сигнальные элементы сигнальных блоков 26 (СБ2В), ..., 27 (СБn) также не выдают сигналы о неисправности изоляции фазы В контролируемых объектов 2 (КО2)...n (КОn).
В
А
С
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
Для высоковольтного оборудования характерным является наличие коронных разрядов, которые имеют в спектральном составе составляющие, трудно отличимые от частичных разрядов. Так как уровень коронного разряда определяется напряженностью электрического поля на поверхности проводника, то в первом приближении интенсивность таких разрядов во всех фазах контролируемого объекта одинакова. Указанное обстоятельство позволяет выполнить отстройку от помех, обусловленных коронными разрядами. С этой целью с помощью сумматора 29 (С1) образуется сумма выходных напряжений измерителей радиопомех двух других фаз (ИП1) и (ИП1) контролируемого объекта 1 (КО1). Ко вторым входам компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (K1m) подведены напряжения смещения с выходов масштабных преобразователей 30 (МП11), 31 (МП12), ..., 32 (МП1m) выходного напряжения сумматора 29 (С1). Указанные напряжения формируют так называемое процентное торможение, т.е. порог срабатывания компараторов становится линейно зависимым от напряжения смещения, которое, в свою очередь, определяется уровнем коронного разряда. В результате на выходах компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (K1m) сигналы равны нулю и сигнализация о повреждении изоляции контролируемых объектов отсутствует.
В
В
В
В
В
В
В
В
В
При возникновении частичных разрядов в изоляции какого-либо из контролируемых объектов, например, в изоляции объекта 1 (КО1), в его цепи появляется ток с составляющими, характерными для указанных процессов. В напряжении на резисторе 9 (R1) появляются составляющие, характерные для частичных разрядов. Указанные составляющие возникают также в напряжении на выходе коаксиального кабеля 12 (РК1), преобразователя «ток-напряжение» 15 (ПТН1) и измерителя радиопомех 18 (ИП1). Сигнал на выходе измерителя радиопомех 18 (ИП1) фазы В этого объекта максимален по сравнению с сигналами других измерителей радиопомех системы и равен сигналу на выходе макси-селектора сигналов 21 (МАХ). Вследствие этого сигнал на выходе элемента сравнения 28 (ЭС1) блока сравнения 22 (БС1) становится равным единице. Так как вероятность появления дефекта изоляции в одной из фаз во много раз выше вероятности появления аналогичного дефекта в двух или трех фазах контролируемого объекта, то среднее значение тока с составляющими, характерными для частичного разряда в фазе
В
В
А
С
В
В
В
В
А
С
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
контролируемого объекта 1 (КО1) оказывается в несколько раз выше, чем в неповрежденных фазах [П.М.Сви. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1992, рис.7-23]. Благодаря этому среднее значение сигнала на выходе измерителя радиопомех 18 (ИП1) максимально по сравнению с сигналами на выходах измерителей радиопомех ИП1 и ИП1 двух других фаз контролируемого объекта КО1. Сигнал с выхода измерителя радиопомех 18 (ИП1) подается на первые входы компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m), где сравнивается с сигналами, пропорциональными сумме средних значений сигналов на выходах измерителей радиопомех ИП1 и ИП1 двух других фаз контролируемого объекта КО1, имеющими различные уровни благодаря масштабным преобразователям 30 (МП11), 31 (МП12), ..., 32 (МП1m). Таким образом, сигналы, формируемые сумматором 29 (С1) и масштабными преобразователями 30 (МП11), 31 (МП12), ..., 32 (МП1m), являются автоматически формируемыми пороговыми напряжениями компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m), которые обеспечивают необходимую кратность отношения полезного сигнала частичного разряда к помехе, обусловленной, например, коронным разрядом. Появление сигналов на выходе одного или нескольких компараторов 33 (К11), 34 (К12), ..., 35 (К1m) приводит к срабатыванию одного или нескольких сигнальных элементов 40 (СЭ11), 41 (СЭ12), ..., 42 (СЭ1m), что определяется уровнем частичного разряда. По количеству сработавших элементов 40 (СЭ11), 41 (СЭ12), ..., 42 (СЭ1m) можно судить об уровне частичного разряда в изоляции и принять решение о необходимости срочного отключения оборудования или планировать его отключение спустя определенный промежуток времени. Следует подчеркнуть, что сигнальные элементы фазы В других контролируемых объектов при этом не выдают ложные сигналы о неисправности изоляции, т.к. их элементы сравнения находятся в несработанном состоянии и на их выходах сигналы равны нулю.
Предлагаемое устройство обладает следующей совокупностью свойств, которую не имеет ни одно из известных устройств того же назначения:
- селективная сигнализация о недопустимом ухудшении бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа различного высоковольтного оборудования (маслонаполненные вводы силовых трансформаторов, автотрансформаторов, реакторов и выключателей, маслонаполненные трансформаторы тока), что достигнуто за счет выявления наибольшего среднего значения высокочастотного тока частичного разряда, который имеет место в поврежденном элементе;
- отсутствие ложной сигнализации при коронном разряде, что достигнуто за счет сравнения среднего значения высокочастотного тока частичного разряда в поврежденной фазе с сигналами, пропорциональными сумме средних значений высокочастотного тока помех в неповрежденных фазах;
- отсутствие ложной сигнализации, обусловленной неэквипотенциальностью точек заземления контролируемых объектов, т.к. в любом случае ток
высокочастотного разряда в поврежденном элементе превышает аналогичные токи в других элементах;
- отсутствие неправильных срабатываний при атмосферных осадках на загрязненной изоляции, что обусловлено малым уровнем возникающих при этом высокочастотных токов;
- отсутствие ложной сигнализации при несимметричных напряжениях в высоковольтной сети, что достигнуто за счет сравнения высокочастотных токов частичных разрядов одноименных фаз контролируемых объектов. При этом все одноименные фазы контролируемых объектов находятся под одинаковым напряжением и высокочастотный ток в поврежденном объекте превышает аналогичные токи в других объектах;
- отсутствие ложной сигнализации, обусловленной токами влияний при отключении контролируемого объекта от питающей сети, т.к. при этом высокочастотные токи частичных разрядов отсутствуют.