УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ОПН, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам диагностики нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), применяемых для защиты изоляции воздушных линий (ВЛ) электропередач классов напряжения от 110 до 750 кВ.
ОПН представляет собой конструкцию, в которой одна или несколько параллельных колонок, каждая из которых состоит из последовательно соединенных оксидно-цинковых варисторов, помещены в герметичную изоляционную полимерную или фарфоровую покрышку. Внутреннее пространство изоляционной покрышки может быть заполнено твердым, либо газообразным изоляционным материалом. Верхний и нижний торцы изоляционной покрышки армированы металлическими фланцами.
При приложении к ОПН напряжения, равного наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению (определение ГОСТ Р 52725), через ограничитель протекает общий ток проводимости величиной от нескольких десятых до нескольких единиц миллиампер, имеющий в основном емкостной характер. Активная составляющая тока проводимости при этом невелика и составляет около 15% от общего тока. В таких условиях ОПН может работать неограниченно долго без потери тепловой устойчивости при протекании нормированных импульсов тока.
Большая часть выходов из строя ОПН происходит по двум причинам. Первая - это увлажнение изоляционной покрышки, приводящее к увеличению тока проводимости ОПН, и соответственно потере тепловой устойчивости изоляции с дальнейшим переходом повреждения ОПН в короткое замыкание. Вторая причина - это старение оксидноцинковых варисторов в процессе эксплуатации, потере тепловой устойчивости варисторов с дальнейшим переходом повреждения ОПН в короткое замыкание.
При увлажнении изоляционной покрышки в общем токе проводимости резко возрастает активная составляющая в основном с частотой 50 Гц. Достаточной мерой диагностирования такого повреждения ОПН является контроль общего тока проводимости и сравнение его с нормированным значением.
При старении оксидноцинковых варисторов в процессе эксплуатации происходит деградация вольтамперной характеристики (ВАХ) в области малых токов. Однако, поскольку доля активного тока в общем токе проводимости невелика, то величина общего тока возрастает при этом незначительно. Поэтому необходимы специальные меры для выделения активной составляющей тока проводимости из общего тока. Для выявления такого вида повреждения достаточно контролировать третью гармонику тока проводимости, поскольку в третьей гармонике соотношение активной и емкостной составляющей тока проводимости намного выше, чем в общем токе и в первой гармонике. Появление емкостной составляющей в третьей гармонике тока может быть вызвано только наличием третьей гармоники в напряжении, приложенном к ОПН.
Соответственно, для достоверного выявления обеих причин повреждения ОПН достаточно контролировать действующее значение и третью гармонику общего тока проводимости ОПН.
Все вышеуказанное относится и к ОПН, предназначенных для защиты изоляции ВЛ электропередач. Дополнительно существует проблема сбора результатов измерений с измерительных постов, расположенных на опорах ВЛ на расстоянии в несколько сотен километров.
В мировой практике для диагностики ОПН используются устройства, основанные на измерении полного тока утечки, а также устройства, основанные на измерении третьей гармоники тока с компенсацией емкостной составляющей, например, система мониторинга EXCOUNT-II, производства фирмы ABB АВ, (Патент US №7005863, МПК Н02Н 3/04, публ. 08.04.2004).
Данная система мониторинга содержит датчик тока (сенсор), считывающее устройство (трансивер) и устройство обработки данных. Датчик тока включен в рассечку цепи заземления ОПН и представляет собой две катушки, одетые на линию заземления. Одна катушка соединена с блоком измерения полного тока, другая - с блоком регистрации амплитуд импульсов тока. Дополнительно к цепи заземления подключен датчик поля, который измеряет электрическое поле для компенсации емкостной составляющей. Третий датчик тока измеряет ток от датчика поля к цепи заземления. В сенсоре имеется устройство памяти для записи времени измерения, показаний всех датчиков, а также температуры окружающей среды.
Информация от сенсора передается на трансивер с помощью радиоканала на частоте 868,35 кГц. При этом трансивер должен располагаться на расстоянии не более 60 м от диагностируемого ОПН. Для считывания информации оператор должен перенести трансивер в помещение, где находится устройство обработки данных. Данные от трансивера могут быть считаны на устройство обработки посредством кабеля или по беспроводному каналу.
Система может использоваться для мониторинга сразу нескольких ОПН, находящихся в зоне радиовидимости трансивера. Необходимо отметить, что для считывания измерений, во-первых, необходимо наличие оператора, а во-вторых, он должен подойти к диагностируемому ОПН на расстояние порядка 60 м, что снижает оперативность получения результатов измерений.
Известно решение, принятое за прототип, патент на полезную модель RU №89792, МПК Н04М 1/00, опубл. 10.12.2009 г., основанное на сборе результатов измерений с датчиков через беспроводную передачу ZigBee, позволяющее дистанционно и автоматически производить передачу данных на расстояние до 1000 м. Отмечено, что данная технология отличается устойчивостью передачи информации. Данное устройство позволяет регистрировать, передавать и сохранять результаты измерения протекающих через ОПН токов, а именно:
- амплитуду и действующее значение полного тока проводимости;
- амплитудное и действующее значение активного тока;
- амплитуды гармоник в спектре тока от 50 до 1000 Гц;
- температуру окружающего воздуха;
- срабатывание ОПН;
- оперативно и дистанционно передавать информацию пользователю.
Описанная в прототипе система основана на технологии беспроводной передачи ZigBee и, в основном, может быть использована для ОПН, установленных на подстанции, поскольку каждый измерительный пост связывается напрямую с пультом сбора данных. Для ОПН, установленных на ВЛ, это неприемлемо, поскольку последний измерительный пост может быть удален на несколько сотен километров от пульта сбора данных.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение оперативности получения результатов измерений тока проводимости ОПН, применяемых для защиты изоляции ВЛ.
Технический результат - повышение оперативности получения результатов измерений тока проводимости ОПН применяемых для защиты изоляции ВЛ - достигается тем, что результаты измерений передаются по протоколу ZigBee от одного измерительного поста к другому по цепочке вдоль ВЛ, вплоть до пульта сбора данных, установленного на подстанции.
Предлагаемое устройство мониторинга поясняется чертежами, где изображены:
Фиг.1 - блок-схема измерительного поста;
Фиг.2 - блок-схема пульта сбора данных.
Устройство состоит из нескольких (в зависимости от количества диагностируемых ОПН) измерительных постов 1, одного персонального компьютера 2 и одного приемопередающего блока 3.
Последовательно каждому диагностируемому ограничителю перенапряжений 4 устанавливается измерительный пост 1 - устройство, сочетающее в себе функции измерительного прибора и приемо-передающего устройства. В отличие от известных типов устройств мониторинга измерительные посты могут связываться по протоколу ZigBee как с пультом сбора данных, так и между собой. В предлагаемом устройстве результаты измерений передаются от одного измерительного поста к другому по цепочке вдоль ВЛ, вплоть до пульта сбора данных, установленного на подстанции. В качестве пульта сбора данных используется персональный компьютер 2 с подключенным по USB-кабелю приемо-передающим блоком 3. Накопление, отображение, анализ и архивирование полученных результатов измерений происходит на персональном компьютере 2 при помощи специального программного обеспечения.
Измерительный пост 1 имеет в своем составе варистор 5, трансформатор тока 6, блок питания 7, блок усилителя 8, блок опорных напряжений 9, микроконтроллер 10 и приемопередающий модуль 11.
Функционирует измерительный пост 1 следующим образом. Сигнал, пропорциональный общему току проводимости диагностируемого ограничителя перенапряжений 4, подается с трансформатора тока 6 на блок усилителей 8. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера 10 переводит данный сигнал в цифровую форму, осуществляет необходимую обработку и при помощи приемо-передающего модуля 11 передает полученные результаты либо на следующий измерительный пост, либо на пульт сбора данных. Блок усилителей 8 используется для приведения выходного уровня сигнала трансформатора тока 6 к рабочему диапазону аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 10. Блок опорных напряжений 9 выдает на микро-контроллер 10 высокостабилизированные напряжения, определяющие рабочий диапазон аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 10. Напряжение с низковольтного варистора 5 используется в качестве источника энергии, которое преобразуется в блоке питания 7 в постоянное напряжение 3,3 В, используемое для питания всей электронной части измерительного поста. Такое решение позволяет отказаться от аккумуляторов, что позволяет повысить надежность работы устройства в целом, так как аккумуляторы имеют недостаточный для применения в данном устройстве рабочий температурный диапазон. Кроме того, аккумуляторы необходимо периодически заменять ввиду их разряда и сульфатации, что неудобно при расположении измерительных постов вдоль по линии длиной несколько сотен километров.
Приемопередающий блок 3 имеет в своем составе блок USB-интерфейса 12, микроконтроллер 13 и приемо-передающий модуль 14. Микроконтроллер 13 при помощи приемопередающего модуля 14 организует двухстороннюю связь между программным обеспечением, расположенном на персональном компьютере 2, и цепочкой измерительных постов. От программного обеспечения к измерительным постам исходят команды, а в обратном направлении поступают результаты измерений.
Программное обеспечение используется для обработки, отображения и сохранения полученных результатов измерений и по каждому диагностируемому ОПН.
Обработка результатов заключается в вычислении действующего значения и третьей гармоники полученного сигнала.
Предлагаемое устройство мониторинга ОПН, предназначенных для защиты изоляции воздушных линий электропередач, позволяет увеличить оперативность получения результатов измерений тока проводимости ОПН применяемых для защиты изоляции ВЛ.