ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧАСТИЧНОГО РАЗРЯДА
PORTABLE DEVICE FOR DETECTION OF PARTIAL DISCHARGE

Область техники
Настоящее изобретение относится к портативному устройству детектирования частичного разряда, которое, в частности, используется для детектирования и измерения частичных разрядов в электрических компонентах и устройствах, таких как: кабели среднего или высокого напряжения, кабельные соединения, изоляторы воздушных линий, коммутационные коробки среднего и высокого напряжения, кабели высокого и сверхвысокого напряжения с использованием элегазовой коммутационной аппаратуры.
Предшествующий уровень техники
Термин "частичные разряды" означает нежелательную рекомбинацию электрических зарядов, происходящую в диэлектрическом (изолирующем) материале электрических компонентов, когда последние имеют дефекты различных типов. Здесь на участках диэлектрического материала генерируется импульсный ток, вызывающий распространение электромагнитной волны через силовые или заземляющие кабели соответствующей электрической системы и излучение через различные среды (диэлектрический материал, металлы, воздух и т.д.), в которых проходит эта волна.
Частичные разряды обычно измеряют посредством детектирования сигналов, генерируемых такими разрядами, используя специальные датчики и анализируя такие сигналы соответствующим программным обеспечением. Эти датчики обычно детектируют разряды вследствие их распространения за счет проводимости; таким образом, они должны быть установлены в кабеле или размещены вблизи измеряемых компонентов, что часто требует временного выключения системы. Такие датчики включают в себя: дипольную антенну или антенную решетку, магнитные датчики типа "датчика Роговского" или "трансформатора связи"; бесконтактные датчики электрического или магнитного поля, работающие в нескольких сантиметрах от источника; акустические или пьезоэлектрические датчики. Все эти датчики отличаются высокой эффективностью в конкретных ситуациях, но недостаточно гибки для использования в любых условиях. Дополнительный недостаток состоит в том, что использование таких датчиков требует прямого или опосредованного соединения с питающей сетью для оценки фазы рабочего напряжения при разряде.
Технология предшествующего уровня для детектирования излучаемого шума, которая не требует прямого соединения с системой, включает в себя датчики электрического или магнитного поля, в которых используется принцип резонанса для приема сигналов самой высокой амплитуды даже без потребности в усилителе. Недостаток этого вида датчиков состоит в трудностях обработки сигналов этих датчиков, вызванных резонансом, относящимся к форме принимаемых импульсов.
Таким образом, существует потребность в устройстве детектирования частичного разряда, которое может преодолеть вышеупомянутые недостатки.
Краткое изложение существа изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства детектирования частичного разряда для детектирования и измерения частичных разрядов в объектах-источниках, которые генерируют такие разряды, таких как электрические системы или компоненты, которые подают сигналы, имеющие форму, подобную форме излученного импульса, для улучшенной идентификации и анализа.
Дополнительной задачей является обеспечение устройства небольшого размера, полностью изолированного и с автономным источником питания, которое позволяет выполнять измерения с самой высокой безопасностью без потребности в прямом соединении с системой при проверке, таким образом, позволяя операторам находиться на расстоянии и не требуя отключения системы для детектирования.
Таким образом, изобретение нацелено на решение вышеупомянутых задач посредством обеспечения портативного устройства для детектирования частичных разрядов в объекте-источнике разряда, которое содержит, как определено в пункте 1, широкополосную антенну, выполненную с возможностью действия в качестве датчика электрического поля и включающую в себя первый плоский проводник, взаимодействующий со вторым проводником, профиль которого сходится к первому плоскому проводнику в одной точке или одной линии, причем второй проводник меньше примерно на два порядка величины, чем длина волны детектируемого поля, так, что широкополосная антенна является нерезонансной в диапазоне полосы от приблизительно 0,1 МГц до приблизительно 100 МГц.
Предпочтительно, устройство, согласно изобретению, электрически автономно и портативно и допускает дистанционное измерение тестируемых компонентов без гальванического соединения и полностью безопасным образом.
Это устраняет необходимость любого прямого подключения датчиков, что требовало бы обесточивания системы и затем повторного включения для детектирования, выключения для удаления датчиков и опять включения.
Сигналы, которые могут быть приняты устройством, имеют увеличенную амплитуду благодаря использованию последовательности усилительных каскадов.
Конкретные варианты выполнения антенны устройства, согласно изобретению, были признаны очень предпочтительными для достижения удовлетворительных результатов.
Дополнительное преимущество устройства, соответствующего настоящему изобретению, состоит в возможности емкостного улавливания сигналов рабочего напряжения, таким образом, обеспечивая дистанционное получение опорного фазового сигнала без необходимости в прямом подключении к напряжению. Таким образом, устройство может также детектировать и выдавать сигнал синхронизации, который получен посредством получения напряжения питания от источника разряда. Это делает устройство электрически независимым и портативным и позволяет осуществлять измерения без гальванического соединения посредством синхронизации принятых импульсов с напряжением, которое генерирует их.
Устройство может быть соединено с существующими инструментами приема и анализа, такими как обычные датчики.
Устройство может произвольно включать в себя электронную часть для цифрового приема, анализа, отображения и хранения и/или передачи детектированных импульсов. В этом случае, устройство может использоваться как полностью портативный инструмент. Таким образом, если устройство снабжено системой приема и сохранения, оно может обрабатывать всю информацию относительно традиционного измерения частичного разряда.
Форма и размер компонентов приспособлены для дистанционного приема и точного воспроизведения импульсов, генерируемых частичными разрядами.
Устройство, согласно изобретению, можно также использовать с системами среднего напряжения в таких областях, как генерирование электроэнергии при помощи ветра, железнодорожные перевозки и т.д.
При предпочтительных низких производственных затратах, рабочие характеристики более высоки, чем у устройств предшествующего уровня техники, и время детектирования частичного разряда короче.
Зависимые пункты раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем приводится описание предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид в разрезе устройства детектирования частичного разряда согласно изобретению;
фиг. 2a, 2b, 2c и 2d изображают два вида в разрезе и вид сверху соответственно вариантов воплощения датчика электрического поля устройства согласно изобретению;
фиг. 3a и 3b изображают части электронных схем устройства согласно изобретению.
Описание предпочтительных
вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показано устройство 10 детектирования частичного разряда, которое содержит:
нерезонансную широкополосную антенну 1, оптимизированную для приема импульсных сигналов, генерируемых частичными разрядами,
вспомогательный датчик 2 магнитного поля,
электронный широкополосный усилитель 3,
схему 4 синхронизации для детектирования напряжения питания системы или компонента, исследуемого посредством емкостной связи,
батареи 8 для питания схем устройства,
средство 5 управления для управления его работой.
Все эти компоненты содержатся в портативном контейнере 7, имеющем, например, два байонетных соединителя 6 или другие соединители, пригодные для приема детектированных сигналов, выступающие из него для возможного соединения с существующими инструментами для приема или анализа.
Широкополосная антенна 1 выполнена как нерезонансная в соответствующем диапазоне от приблизительно 0,1 МГц до приблизительно 100 МГц. Это обеспечивает точное воспроизведение детектированных импульсов.
Этот признак получен при помощи использования особой широкополосной антенны 1 ("сверхширокополосной" антенны), имеющей особые характеристики по форме и размерам. В частности, антенна 1 содержит первый плоский проводник 22, то есть плоский рефлектор, при этом второй проводник 21 находится над ним на небольшом расстоянии, причем он имеет такую форму, что его профиль сходится в одной точке или одной линии к плоскому рефлектору 22.
Согласно выбранной форме, второй проводник 21 может быть двухмерным или трехмерным. Трехмерные формы получают из двухмерного профиля посредством вращения.
Плоский рефлектор 22, который, предпочтительно, имеет квадратную или прямоугольную форму, имеет такой размер, чтобы содержать над ним, по меньшей мере, выступ второго проводника 21. Предпочтительно, первый и второй проводники 21, 22 сформированы из проводящего металла или полимерного материала.
Сигнал принимается между плоским рефлектором 22 и точкой второго проводника 21, которая ближе к плоскости 22.
Благодаря этой конфигурации, антенна 1 является нерезонансной, сохраняя адекватную чувствительность, если общие размеры антенны 1 и, в частности, второго проводника 21 меньше примерно на два порядка величины, чем длина волны соответствующих явлений, которая составляет, например, около 3-30 м. Устроенная таким образом антенна особенно чувствительна к электромагнитным полям, имеющим частоту порядка нескольких десятков МГц и, вследствие ее нерезонансного свойства, она обеспечивает очень точное воспроизведение формы полученных импульсов.
Предпочтительные варианты выполнения антенны 1, основанные на использовании кругового или остроконечного профиля, показаны на фиг. 2.
На фиг. 2a показана антенна со вторым проводником 21, имеющим форму полой сферы, которая может иметь разные диаметры, например, от 3 до 30 см.
На фиг. 2b показана антенна со вторым проводником 21, имеющим форму половины полого цилиндра или, в альтернативном варианте, полого цилиндра (см. часть, показанную прерывистой линией), сформированного посредством прессования. В этом случае диаметр основы цилиндра может изменяться, например, от 3 до 30 см.
На фиг. 2c показана антенна со вторым проводником 21, имеющим форму диска, который может иметь разные диаметры, например, от 3 до 30 см.
На фиг. 2d показана антенна со вторым проводником 21, имеющим форму плоского зубца (правая часть вида сверху) или поворотного зубца (левая часть вида сверху), который имеет противоположное искривление относительно профилей других вариантов. В этих вариантах высота зубца может изменяться, например, от 3 до 30 см. В случае поворотной формы зубца диаметр проводника 21 в его сечении, параллельном и отдаленном от плоского рефлектора 22 также находится в этом диапазоне.
Согласно предпочтительному варианту, диаметр второго проводника 21 в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 2a, 2b и 2c, находится в диапазоне приблизительно 5-20 см. Второй проводник 21 расположен на расстоянии приблизительно 1 мм от плоского рефлектора 22, который, по меньшей мере, имеет такой же размер, как и второй проводник 21.
Общие размеры широкополосной антенны, предпочтительно, находятся в пределах объема приблизительно 10×10×10 см.
2
Второй проводник 21 механически удерживается в положении относительно плоского рефлектора 22 изолированным основанием 23 соответствующего сечения, например, приблизительно 2-3 мм, которое также позволяет второму проводнику принимать сигнал от стороны поверхности 24 плоского рефлектора 22, то есть с противоположной стороны второго проводника. На поверхности 24 может быть расположена схема усилителя.
Антенна 1, которая действует как датчик электрического поля, может быть соединена последовательно со вспомогательным датчиком 2 магнитного поля, содержащим, например, по меньшей мере, один виток 2', обернутый вокруг высокочастотного ферритового стержня 11 вдоль его продольной стороны, причем виток 2' может быть сформирован из медной проволоки, и ферритовый стержень 11, вокруг которого она обернута, имеет, например, продольную сторону приблизительно 5-10 см.
Эта особая конфигурация позволяет антенне 1 принимать поля электромагнитных импульсов даже слабой силы и точно воспроизводить их форму, в отличие от обычных антенн, которые подвержены резонансу и искажениям.
Вспомогательный датчик 2 магнитного поля на поверхности 24 плоского рефлектора 22 антенны 1 может использоваться в комбинации с антенной 1 или как ее альтернатива, в зависимости от степени, в которой магнитная составляющая может или должна быть лучше определена. Таким образом, выводы антенны 1 или датчика 2 могут быть замкнуты накоротко, как необходимо, с использованием средства 5 управления. И антенна или датчик 1 электрического поля, и датчик 2 магнитного поля имеют переключатель, подключенный параллельно с ними, который может действовать как короткозамкнутая цепь для шунтирования любого из них, как показано на фиг. 3a, которая изображает часть схемы электронного усилителя датчиков 1 и 2.
Вспомогательный датчик 2 магнитного поля может использоваться для детектирования более медленных явлений, имеющих диапазон меньше 10 МГц, или для индуктивной связи с проводимыми сигналами, проходящими в кабелях или металлической фольге, посредством приближения к ним.
Электронный широкополосный усилитель 3 работает посредством регулирования полного сопротивления датчиков 1 и 2 и усиления принятых ими сигналов для детектирования слабых сигналов.
Выход усилителя соединен с байонетным соединителем 6 на одной из сторон контейнера 7. Усилитель 3 имеет высокое входное полное сопротивление, то есть, несколько кОм, и низкое выходное полное сопротивление, в типичном случае, 50 Ом. Это, соответственно, увеличивает уровень сигнала примерно до 20-40 дБ в соответствующем диапазоне, возможно ограниченный фильтрами. Усилением можно управлять с использованием потенциометра, включенного в средство 5 управления.
В электронном широкополосном усилителе 3 используются высокочастотные операционные транзисторы и/или усилители, и он, предпочтительно, выдает 20-30 дБ и минимальный диапазон, предпочтительно, от 0,5 МГц до 60 МГц. Фильтрация вне диапазона осуществляется фильтрами первого и второго порядка, имеющими частоту среза, составляющую нескольких десятков МГц, и максимальное усиление регулируется пользователем.
Схема 4 синхронизации является электронной схемой высокого полного сопротивления, приспособленной для дистанционного емкостного детектирования без гальванической связи напряжения переменного тока, подаваемого к измеряемому электронному блоку, который генерирует импульсы. Это допускает синхронизацию детектированных импульсов с напряжением, которое их генерирует.
Схема 4 синхронизации содержит часть 20, выполненную из проводящего материала, которая используется для емкостной связи с полем и представляет собой один из проводников 21, 22 антенны 1 или корпус контейнера 7 устройства, если он сформирован из проводящего материала. Часть 20 соединена с дополнительным усилителем с высоким полным сопротивлением (>1 МОм) и большим коэффициентом усиления, за которым следует фильтр нижних частот (имеющий частоту 50, 60 Гц, или его первые гармоники) и/или контур фазовой синхронизации, такой как схема фазовой синхронизации который синхронизируется с детектированным электромагнитным полем.
Сигнал поля, принятый таким образом и усиленный, может быть отфильтрован для снижения шумов или интерференции. С этой целью фильтры или схемы фазовой синхронизации выполнены с использованием аналоговых или цифровых схем. В последнем случае схема может также выдавать индикацию о состоянии или качестве синхронизации. Полученный таким образом сигнал синхронизации на выходе схемы 4 синхронизации выдается через второй байонетный соединитель 6 на одной стороне контейнера 7.
В предпочтительном варианте в схеме 4 синхронизации используется два операционных усилителя 13, 14 для получения высокого коэффициента усиления и высокого входного полного сопротивления, как показано на фиг. 3b, которая иллюстрирует часть электронной схемы синхронизации.
Сигнал обрабатывается основанной на микроконтроллере цифровой схемой 15, которая представляет собой цифровую схему фазовой синхронизации, на основе которой пользователь может установить частоту колебаний, диапазон и фазу выходной волны.
Контейнер 7, который может быть выполнен из металла или пластмассы, имеет общие размеры, которые позволяют легко его переносить, и также содержит:
отсек для батарей 8, которые питают схемы,
средство 5 управления для выбора желательного рабочего режима,
ручку 12 для облегчения транспортировки и ориентации во время измерений.
Батареи 8 могут быть перезаряжаемыми батареями размера AA, при этом имеется внешний зарядный разъем 9 для исключения открывания контейнера 7 для замены батарей и обеспечения лучшей защиты устройства от внешних воздействий. Средство 5 управления, включают в себя переключатель источника питания, потенциометры управления усилением, переключатель для шунтирования датчиков электрического и магнитного поля, светодиоды для индикации рабочего состояния и достигнутого уровня синхронизации. Детектированный электромагнитный импульс и сигнал синхронизации, который может быть передан к любому инструменту детектирования или анализа, выдается на выходе через специальные разъемы, такие как байонетные соединители 6. Полученное таким образом устройство может быть соединено с любой системой детектирования, имеющей достаточную полосу пропускания, такой как осциллограф, платы приема, системы мониторинга частичных разрядов и т.д. В качестве возможного варианта, устройство, соответствующее изобретению, может включать в себя электронную схему для приема, обработки, хранения и/или передачи, которая содержит аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и/или программируемую логику, флэш-память для хранения данных, средство отображения информации и интерфейс (например, USB, Ethernet, Bluetooth, WiFi и т.д.) для соединения с персональным компьютером. В этом случае устройство может принимать, обрабатывать и хранить детектированные данные и обеспечивать в режиме реального времени и, возможно, дистанционно индикацию таких данных и может использоваться как независимый портативный инструмент, приспособленный для измерений на месте и непрерывного мониторинга электрических систем или контролируемых компонентов.