УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для диагностики нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), применяемых в электрических сетях переменного тока станций и подстанций линий электропередачи напряжением 110-750 кВ промышленной частоты 50 Гц для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений.
Стандартные ограничители перенапряжений представляют собой конструкции, содержащие последовательно соединенные оксидно-цинковые варисторы в виде одной или нескольких цилиндрических колонок, которые заключены в герметизированный изоляционный корпус - фарфоровый или полимерный. Полимерный изоляционный корпус представляет собой покрышку из стеклопластикового цилиндра с ребристой внешней оболочкой из кремнийорганической или силиконовой резины. Внутреннее пространство между колонками варисторов заполнено изоляционным материалом, твердым (например, песком, низкомолекулярным силиконовым каучуком, силиконовой резиной) или газообразным (например, азотом). Изоляционный корпус армирован фланцами, к верхнему фланцу крепятся токоведущие провода, а к нижнему - заземляющая шина.
В нормальном эксплуатационном режиме при воздействии фазного рабочего напряжения через изоляционную покрышку, по ее внутренней и наружной поверхности, а также через колонки нелинейных варисторов протекает ток утечки, причем последний составляет большую часть. Ток через колонки, в основном, имеет емкостной характер и составляет от долей до единиц мА, он также содержит активную компоненту - десятки µА, составляющую 8-15% от величины полного тока утечки. Такие значения тока утечки не могут привести к значительному повышению температуры ОПН и стать причиной ухудшения его состояния.
ОПН рассчитаны на длительный срок службы, и в процессе эксплуатации могут подвергаться различным воздействиям, например, длительным квазистационарным и феррорезонансным перенапряжениям. Это может стать причиной постепенного увеличения активной составляющей тока и увеличения мощности потерь в оксидно-цинковых варисторах, что может привести к тепловому пробою и разрушению ОПН. Однако в случае кратковременного роста активной составляющей тока не происходит нарушения эксплуатационных характеристик ОПН, например, при увлажнении и загрязнении внешней изоляции, при повышении температуры окружающего воздуха.
Как показали исследования, достоверным признаком преждевременного старения ОПН и возможных сбоев в его работе являются возрастанием амплитуд нечетных гармоник активной составляющей тока утечки.
Нелинейная вольтамперная характеристика ОПН генерируется нелинейными варистороми, поэтому высшие нечетные гармоники присутствуют только в активной составляющей тока утечки ОПН. Для определения активной составляющей тока утечки необходимо разложить с помощью Дискретного Преобразования Фурье (ДПФ) ток утечки ОПН по гармоникам, четным и нечетным, до 19 порядка. Полученные коэффициенты COS составляющей будут определять емкостную составляющую тока, а коэффициенты SIN составляющей - активную составляющую тока. Первая гармоника в SIN составляющей в нормальном режиме работы ОПН будет иметь наибольшее значение. Наличие в COS составляющей нечетных гармоник со значением амплитуды не менее 0,05% от первой гармоники свидетельствует о том, что в фазном напряжении присутствуют гармоники, которые необходимо учесть. Используя известные методики вычислений, можно определить номер последней значащей нечетной гармоники и амплитуды гармоник. Такая методика позволяет определить активную составляющую тока утечки ОПН, а также учесть наличие высших гармоник в фазном напряжении.
Таким образом, при мониторинге ОПН стоит задача выявления устойчивой тенденции к повышению активной составляющей тока утечки, а также контроль амплитуд высших гармоник этого тока. Как показали исследования, именно эти показатели являются достоверным признаком преждевременного старения ОПН и возможных сбоев в его работе.
Известные методики диагностики ОПН заключаются в измерении токов утечки под фазным напряжением сети без отключения аппарата от сети и сравнение его с допустимыми значениями. Самым распространенным методом измерения тока утечки является схема с использованием миллиамперметра переменного тока.
Более совершенным является измерительное устройство для контроля тока проводимости ОПН типа УКТ-02 (УКТ-03)» производства СибНИИЭ (Измерительное устройство для контроля тока проводимости типа УКТ-02. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Сибэнерготест, Новосибирск, 2002). Прибор содержит датчик тока в виде трансформатора тока, встроенного в шину заземления ОПН, измерительный модуль и модуль индикации. Измерительный модуль позволяет измерять действующие значения первой (50 Гц) и третьей (150 Гц) гармонических составляющих тока утечки ОПН. Сигнал с измерительного модуля поступает на дисплей модуля индикации, который показывает действующие значения полного тока ОПН и выделенной фильтром первой и третьей гармоники этого тока, а также позволяет определить максимальную амплитуду полного тока утечки.
Выше перечисленные устройства обладают рядом недостатков. Проведенные исследования и опыт эксплуатации показали, что измерения полного тока утечки ОПН не выявляют на ранних этапах ухудшение характеристик ОПН. Так, в статье «О диагностике аппаратов защиты электрооборудования от грозовых и внутренних перенапряжений. Данилин А.Н. Изв. РАН. Энергетика. 2001, №1, с.84-92, 5 ил., 1 табл. Библ.2.» показано, что увеличение полного тока утечки ОПН на 20% приводит к 5-кратному росту активной составляющей тока. Измерение третьей гармоники с помощью системы УКТ-03 может иметь значительную ошибку при существовании в фазном напряжении высшей третьей гармоники (IЕС 60099-5: Surge arresters Part 5: Selection and application recommendations, 1999). Как в первом, так и во втором случае для проведения измерений требуется нахождение оператора у ОПН для подключения измерительных приборов, что не всегда является безопасным и технически возможным.
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, производство фирмы ABB (1HSA 801 080-15ru EXCOUNT-II Инструкция по эксплуатации). Указанная система мониторинга защищена патентом США №2004/0066598 - прототип.
Система мониторинга прототипа содержит датчик тока (сенсор), считывающее устройство (трансивер) и устройство обработки данных (фиг.1 патента). Датчик тока (сенсор) включен в линию заземления, которая одним концом присоединена к ОПН, а другим связана с землей. В схеме использован датчик тока индуктивного типа, который представляет собой 2 катушки, расположенные вокруг линии заземления (фиг.4 патента). Одна катушка соединена с блоком измерения полного тока утечки, другая катушка соединена с блоком регистрации амплитуд импульсов токов. К линии заземления дополнительно подключен датчик поля, который измеряет электрическое поле, созданное фазными проводами, подключенными к ОПН. Между линией заземления и датчиком поля включен датчик для измерения тока между ними. В сенсоре также имеется устройство памяти для записи показаний всех датчиков, а также времени измерения и температуры окружающей среды.
Информация от сенсора передается на трансивер с помощью радиосвязи на частоте 868, 35 Гц посредством обычных приемо-передающих устройств с помощью оператора. При этом оператор с трансивером должен находиться на расстоянии не более 60 м от диагностируемого ОПН. Оператор должен перенести трансивер в помещение, где находится устройство обработки данных. Данные с трансивера поступают по беспроводному каналу или кабелю на устройство обработки данных, в качестве которого может быть использован персональный компьютер. Система предназначена для поочередного контроля сразу нескольких ОПН, находящихся в зоне действия трансивера.
Описанная в патенте система построена на принципе контроля тока утечки и тока поля и может применяться только с ОПН этой фирмы. Для проведения измерений системой требуется использование оператора, что приводит к не оперативности проведения диагностики ОПН. Кроме того, датчик, измеряющий ток поля, подвержен значительным влияниям наведенных электрических полей, что снижает достоверность его показаний.
Задача предлагаемого решения - повышение достоверности и оперативности получения результатов мониторинга любого типа ОПН под рабочим напряжением.
Для решения поставленной задачи в устройство оперативного мониторинга нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), содержащее регистрирующий модуль, встроенный в шину заземления ОПН и содержащий усилитель с преобразователем сигнала из аналогового в цифровой (А-Ц), блок памяти, датчик температуры и микропроцессор, считывающий модуль, содержащий микропроцессор, а также модуль обработки данных на основе персонального компьютера, внесены существенные изменения в регистрирующий модуль Измерительный шунт регистрирующего модуля выполнен в виде резистивного сопротивления, регистрирующий модуль дополнен блоком регистрации импульсных токов, блоком разделения тока на активную и емкостную составляющие, блоком хранения допустимых величин, блоком калибровки а также блоком формирования сигнала опасности. При этом резистивное сопротивление включено в шину заземления ОПН, его вход через последовательно соединенный блок калибратора соединен с первым выходом микропроцессора, а выход - через последовательно включенные усилитель и преобразователь А-Ц с первым входом микропроцессора. Второй вход микропроцессора соединен с блоком разделения тока на составляющие, третий вход - с блоком регистрации импульсных токов, четвертый - с датчиком температуры, пятый - с блоком памяти, шестой - с блоком формирования сигнала опасности, седьмой - с выходом приемопередающего модуля. Второй выход микропроцессора подключен ко второму входу усилителя 7, третий и последующие выходы микропроцессора подключены соответственно ко входам блока разделения тока на составляющие, блока памяти, блока формирования сигнала опасности, с входом приемопередающего модуля.
Кроме того, блок регистрации импульсных токов выполнен на основе датчика Холла, а регистрирующий и считывающий блоки соединены между собой через беспроводную передачу ZigBee. Такая же связь осуществляется между считывающим модулем и модулем обработки. Возможно соединение считывающего модуля с модулем обработки данных посредством кабеля.
Благодаря определению активной составляющей тока проводимости ОПН и ее гармоник удалось повысить эффективность диагностики ограничителей перенапряжений за счет оперативного получения более достоверной информации.
Устройство мониторинга поясняется чертежами, где изображены:
Фиг.1 - схема устройства;
Фиг.2 - блок-схема регистрирующего модуля;
Фиг.3 - блок-схема считывающего модуля.
Устройство мониторинга содержит регистрирующий модуль 1, считывающий модуль 2 и модуль обработки данных 3.
-3
Регистрирующий модуль 1 включает измерительный шунт 4, который последовательно подсоединен к заземляющему выводу 5 ОПН 6 (установлен в рассечку шины заземления). Шунт 4 представляет собой резистивное сопротивление порядка 10×10 Ом. Через него проходит ток утечки, протекающий через ОПН. С зажимов шунта 4 снимается напряжение, которое при известности сопротивления шунта пропорционально величине проходящего через ОПН тока утечки. Напряжение усиливается в усилителе 7, в преобразователе 8 преобразуется из аналогового сигнала в цифровой (А-Ц) и передается в микропроцессор 9 с частотой 25 кГц с интервалом между точками 40 мкс. Блоки 7 и 8 последовательно соединены между выходом резистивного сопротивления и первым входом микропроцессора. Все данные записываются в оперативной памяти микропроцессора 9.
Регистрирующий модуль дополнен блоком разделения 10 тока утечки на активную и емкостную составляющие, а также блоком регистрации импульсных токов 11 Последний представляет собой датчик Холла. Блоки 10 и 11 соединены с соответствующими входами и выходами микропроцессора 9.
Блок разделения 10 раскладывают ток утечки ОПН с помощью ДПФ на спектр гармоник: 1, 2, 3 4, 5, 6 до 19, используя при этом COS и SIN разложения; определяет спектральный анализ 1, 3, 5, 7, 9, 11 и до 19 гармоники включительно, для активной составляющей тока нелинейных варистров определяет амплитудные и действующие значения гармоник активного и емкостного тока, протекающего через ОПН, а также определяет соотношение активного тока к полному току утечки.
В результате в микропроцессор 9 передаются следующие данные из блока разделения 10: действующее и амплитудное значение полного тока утечки; действующее и амплитудное значение емкостной составляющей тока утечки; действующее и амплитудное значение активной составляющей тока утечки; отношение действующих значений.
Кроме того, в микропроцессоре 9 отношения действующих значений активной составляющей к полному току утечки приводятся к нормальной температуре (20°С) и сравниваются с допустимыми значениями. Данные о температуре поступают от датчика температуры 12. Допустимые значения хранятся в блоке хранения допустимых величин 13, который является энергонезависимым. В этом блоке также хранятся идентификационные номера считывающих устройств.
При превышении допустимой величины отношения действующих значений или амплитудного значения активной составляющей в показаниях тока сведения об этом записываются в карту памяти блок формирования сигнала опасности 14. При появлении такой информации микропроцессор 9 передает ее в считывающее устройство 2. Если температура изменилась более чем на 10°С, то проводится калибровка шунта 4. Блок калибровки 15 через выходной усилитель калибратора генерирует синусоидальный ток на шунте 4 с частотой 124 Гц эталонный величины. Разделительный модуль 10 проводит измерение действующего значения тока на частоте 124 с помощью алгоритма ДПФ, сравнивает значение полученного тока с эталонной величиной, хранящейся в блоке 13, и при необходимости изменяет коэффициенты усиления усилителя калибровки блока 15. Также калибровка может быть осуществлена по запросу оператора.
Для уменьшения энергопотребления электропитанием устройств считывающего модуля управляет менеджер электропитания. Он осуществляет включение и выключение в спящий режим микропроцессора 9 и приемопередающего радиомодуля ZigBee 16.
Полученные данные передаются от регистрирующего модуля 1 к считывающему модулю 2 при превышении допустимой величины отношения действующего значения активной составляющей тока к полному току утечки или амплитудного значения активной составляющей тока утечки, а также при запросе считывающего модуля. Они передаются с помощью приемо-передающего радиомодуля ZigBee 16.
Использование беспроводной передачи данных ZigBee позволяет дистанционно и автоматически производить передачу данных на расстоянии до 1000 м. Достоинством технологии ZigBee является ее устойчивость.
Регистрирующий модуль 2 содержит микропроцессор 17, который осуществляет хранение данных в оперативной памяти статического ОЗУ 18, управление по приему данных от регистрирующего модуля 1 и передаче их на компьютер посредством радиосвязи или кабеля. Прием и передача данных от регистрирующего модуля осуществляется с помощью приемо-передающего радиомодуля ZigBee 19. Анализ полученной от считывающего устройства информации осуществляется в стационарном ПК, что удобно для работы, а также позволяет упростить и облегчить регистрирующий и считывающий модули. Полученная в результате обработки данных информация высвечивается на экране ПК.
Предлагаемое устройство позволяет регистрировать, передавать и сохранять изменения протекающих токов проводимости через ОПН:
- амплитудное и действующее значение полного тока утечки через ОПН;
- амплитудное и действующее значение активного тока;
- амплитуды гармоник в спектре тока с полосой обзора от 50 до 1000 Гц;
- температуру окружающего воздуха,
- регистрировать срабатывание ОПН,
- оперативно и дистанционно передавать информацию пользователю.
Наличие указанной информации позволяет получить более достоверные данные о рабочем состоянии ОПН.
Предлагаемое устройство может быть использовано для мониторинга большого числа ОПН, входящих в систему электропередачи при условии нахождения ОПН в зоне действия считывающего устройства. Диагностика ОПН входит в обязательный объем испытаний ОПН, предусмотренный в процессе эксплуатации.
Предлагаемое решение может найти широкое применение для диагностики нелинейных ограничителей перенапряжений, эксплуатируемых на электрических станциях и подстанциях, линиях электропередачи. Диагностика ОПН необходима для выявления преждевременного старения нелинейных металлоксидных варисторов, из которых комплектуется ОПН, нарушения внутренней изоляции ограничителя и входит в обязательный объем испытаний ОПН, предусмотренный в эксплуатации.