СПОСОБ МОНИТОРИНГА РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD TO MONITOR RESOURCE OF INSULATION OF HIGH-VOLTAGE AC EQUIPMENT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите и автоматике.
Известно устройство, реализующее способ мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока [1], согласно которому измеряют действующее значение напряжения и по вольт-секундной характеристике определяют ресурс изоляции как допустимое время воздействия на изоляцию оборудования измеренного напряжения [2]. Способ обладает недостаточно высокой точностью учета воздействия электрического напряжения на защищаемое оборудование в случае, когда напряжение содержит высшие гармоники. Это связано с тем, что действующее значение, являясь интегральной величиной, не позволяет учитывать работу изоляции при перенапряжениях, вызванных суммарным воздействием мгновенных значений основной и кратных гармоник.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является способ мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока [3], основанный на оценке максимального значения электрического напряжения и определения допустимого времени воздействия напряжения с данным максимальным значением на изоляцию оборудования согласно вольт-секундной характеристике оборудования.
Недостатком прототипа является невысокая точность определения остаточного ресурса изоляции. Вызвано это тем, что максимальное значение напряжения на полупериоде определяется косвенно путем сравнения измеряемого электрического напряжения с заранее заданными порогами. При этом за максимальное значение напряжения на полупериоде принимается значение наибольшего из порогов, выше которого оказалось мгновенное значение напряжения, т.е. точность измерения максимального значения напряжения определяется шагом между порогами. Поскольку число порогов ограничено, то точность определения максимального значения невысока, что приводит к уменьшению точности учета остаточного ресурса оборудования.
Повышение точности в предлагаемом способе мониторинга ресурса изоляции высоковольтного оборудования переменного тока достигается следующим образом.
Вначале измеряют напряжение в равномерно фиксированные моменты времени (на фиг.1 измерения показаны на кривой напряжения 1 метками в виде точек) и формируют отсчеты выпрямленного сигнала путем определения абсолютных значений измерений (метки в виде точек на кривой 2). Затем на каждом периоде уже выпрямленного сигнала выделяют отрезок, расположенный между двумя отсчетами ниже порога (порог 1 на фиг.1) и все отсчеты которого выше упомянутого порога (отсчеты между точками а и b). Тем самым на каждом полупериоде сигнала (на периоде выпрямленного сигнала) определяется отрезок, содержащий в себе абсолютное максимальное значение напряжения.
Как видно из фиг.1, порог должен обеспечивать однозначное определение отрезка с максимальным значением напряжения для данного периода выпрямленного сигнала. Неудачный выбор порога может привести к выделению на периоде нескольких отрезков со своими максимумами, что приведет к неправильному учету остаточного ресурса. Этот случай иллюстрируется фиг.1 при работе способа с неправильно выбранным порогом 2, когда на периоде будут выделены два отрезка с-d и е-f.
Для обеспечения однозначности определения необходимого отрезка выпрямленного сигнала порог нужно выбирать с учетом режимов высоковольтной электрической сети, при которых есть вероятность появления нескольких экстремумов на периоде выпрямленного сигнала. С этой точки зрения наиболее характерным является случай параметрического резонанса, возникающего при включении линии электропередачи на холостой ход. В этом случае напряжение может состоять из суммы синфазных основной и второй гармоник равной амплитуды [4], и выпрямленный сигнал (кривая 2 на фиг.1) имеет два максимума. Для правильного выделения отрезка, содержащего абсолютный максимум на полупериоде сигнала, порог 1 выбирают выше малой полуволны выпрямленного сигнала.
0
max
После выделения необходимого отрезка способ определяет максимальное значение полупериода сигнала. Поскольку в промежутке между измерениями значение напряжения недоступно, то максимальный отсчет y на выделенном отрезке сигнала, как правило, не соответствует максимальному значению сигнала. Эту проблему неопределенности способ решает путем интерполяции кривой напряжения полиномом с единственным максимумом, проведенным по измеренным значениям напряжения. Для этого определяется максимальный отсчет на выделенном отрезке, а затем заданное число отсчетов слева и справа от него. Через эти отсчеты проводят интерполяционную кривую и принимают ее максимум y за абсолютное максимальное значение электрического напряжения на полупериоде.
Требование единственности максимума накладывает на выбор интерполяционного полинома ограничение, заключающийся в том, что порядок полинома должен быть четным. Минимальный порядок такого полинома равен 2; в этом случае берут по одному отсчету слева и справа от отсчета с максимальным значением и проводят через упомянутые отсчеты интерполяционную кривую второго порядка - параболу.
2
0
-1
1
В качестве иллюстрации используемого в способе метода определения максимального значения рассмотрим поиск экстремума кривой с помощью параболы. Коэффициенты полинома проще всего искать как коэффициенты многочлена в форме Лагранжа [5]. Тогда парабола y(t)=at+bt+с, проходящая через отсчет с максимальным значением y и отсчеты слева y и справа y от него (кривая 3 на фиг.1), будет определяться следующим образом:
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><mi>b</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
0
c=y,
s
0
0
где T - интервал между измерениями напряжения. При определении коэффициентов принято, что отсчету с максимальным значением y соответствует t=0 и y=y(t=0). Максимум параболы равен
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>8</mn><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
max
Его величина принимается за абсолютное максимальное значение электрического напряжения (на фиг.1 значение y отмечено меткой в виде ромбика).
Специальные исследования показали, что оценка максимального значения с помощью интерполяционного полинома, в частности параболы, не уступает по точности методу, использующему для этой же цели представление сигнала рядом Тейлора в окрестности отсчета с максимальным значением (погрешность оценки не превышает 2% при определении максимального значения сигнала, содержащего основную и третью гармоники в соотношении амплитуд 1 к 0,1; интервал между измерениями - 0,001 с). В то же время использование интерполяционного полинома алгоритмически проще.
k
k-1
k
Остаточный ресурс изоляции r на данном полупериоде напряжения определяется путем вычитания из остаточного ресурса предыдущего полупериода r части ресурса Δr
k
k-1
k
r=r-Δr.
k
п
доп,k
Часть ресурса Δr, которую теряет изоляция после воздействия напряжения данного полупериода, находится как отношение продолжительности полупериода Т напряжения к величине допустимого времени Т нахождения изоляции оборудования под напряжением с максимальным значением k-го полупериода, т.е.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
k
Мониторинг величины r позволяет принять своевременные меры, направленные на ограничение, снижение напряжения или отключение высоковольтного оборудования при перенапряжениях.
Таким образом, предлагаемый способ мониторинга остаточного ресурса изоляции позволяет точнее учитывать работу изоляции при перенапряжениях, вызванных суммарным воздействием мгновенных значений основной гармоники и других составляющих (в том числе и кратных гармоник), а значит, повышает точность определения остаточного ресурса изоляции.
Источники информации
1. Беркович М.А., Гладышев В.А., Семенов В.А. Автоматика энергосистем. 3-е издание. - М.: Энергоатомиздат, 1991 (стр.208).
2. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998 (таблицы Б.1, Б.2).
3. Авт. св. №1669042, БИ №29. 1991.
4. Левиуш А.И., Катунян В.И. Исследование на математической модели параметрического резонанса на второй гармонике для анализа работы релейной защиты ВЛ. Электричество. 1990. №1. Стр.57-62.
5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1981 (стр.663).