Устройство для мониторинга и диагностики высоковольтных линейных полимерных изоляторов
DEVICE FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF HIGH-VOLTAGE LINEAR POLYMER INSULATORS

Область техники
Изобретение относится к устройствам для мониторинга и диагностики состояния высоковольтных линейных полимерных изоляторов на линиях электропередачи и может быть использовано в электроэнергетике.
Уровень техники
В последние десятилетия полимерные линейные изоляторы получили широкое распространение благодаря своим превосходным электрическим характеристикам в условиях загрязнения. У них высокая гидрофобность, трекингостойкость, эрозионная стойкость. Изолятор состоит из несущего стеклопластикового стержня, оребренной защитной оболочки из силиконовой резины вокруг него и металлических оконцевателей. В развитых странах количество полимерных изоляторов в сетях доходит до 50%. Однако у них есть один большой минус это отсутствие возможности оперативно идентифицировать поврежденный в эксплуатации линейный полимерный изолятор.
После короткого замыкания (КЗ) и отключения всей линии поврежденный изолятор невозможно определить. Видимых повреждений подвесной изолятор обычно не имеет.
В настоящее время существуют разнообразные методы контроля состояния полимерных изоляторов, но они не соответствуют критериям простоты, эффективности и удобства.
Контроль и диагностику состояния высоковольтной подвесной полимерной изоляции в России и во всем мире, в основном, проводят периодически осмотрами при обходах с земли, либо с помощью летательных аппаратов. Как визуальные осмотры, так и с применением специального оборудования (электронно-оптические дефектоскопы и тепловизоры). Путем анализа изображений полученных в видимом, инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) спектре принимается решение о состоянии изоляторов (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации СО 153-34.20.501-2003, утвержденные Приказом Минэнерго России от 19.06.2003 N 229; «Объем и нормы испытаний электрооборудования», утвержденные и введенные в действие Распоряжением ПАО «Россети» от 29.05.2017 №280р; «Методические указания по дистанционному оптическому контролю изоляции воздушных линий электропередачи и распределительных устройств переменного тока напряжением 35-1150 кВ, СТО 56947007-29.240.003-2008, утвержденные заместителем Председателя Правления ОАО «ФСК ЕЭС» В.В. Дорофеевым, протокол №4 заседания Постоянно действующей комиссии по нормативно-техническому обеспечению деятельности ОАО «ФСК ЕЭС» от «_28_» июня 2005 г.
Однако это сопряжено со многими трудностями. Такими методами контроля невозможно вести постоянный мониторинг состояния изоляторов, что, в свою очередь, не позволяет оперативно определять место повреждения. Основные деструктивные процессы в изоляторе происходят в неблагоприятное для обследования время: гроза, дождь, роса, а после высыхания изолятор может показывать вполне приемлемые результаты в ИК и УФ диапазоне. Постоянные изменения температуры, влажности, скорости ветра, грозовые и коммутационные перенапряжения в сети вызывают необходимость учета изменений при настройке дефектоскопического оборудования, что влияет на продолжительность поиска дефектного изолятора, результаты считываемых параметров и несет некоторую вероятность ошибок при обработке. Тепловое излучение деструктивных процессов в изоляторе достаточно сложно установить. Это связано с большим расстоянием от изолятора до прибора, небольшими размерами разогретой поверхности, обычными сильными ветрами на высоте эксплуатации изоляторов, низкой теплопроводностью силиконовой защитной оболочки. Измерения желательно проводить в темное время суток или в пасмурную погоду. В случае же короткого замыкания и отключения линии методы обследования ИК и УФ не могут быть применены в силу отсутствия напряжения в линии и процессов, вызывающих эти излучения.
Специалисты по обследованию оборудования методом УФК должны иметь высокий уровень технической подготовки, должны знать:
устройство, принцип функционирования и основные виды УФ камер;
конструкцию обследуемого оборудования и виды возможных дефектов;
виды и причины появления разрядных процессов;
техногенные и климатические факторы, влияющие на интенсивность разрядов;
возможные источники помех.
технологию и физические основы теплового контроля (ИК)
технологию и физические основы визуального и измерительного контроля электрооборудования
правильно документировать, интерпретировать и оценивать результаты УФ контроля.
оформлять результаты контроля с выдачей заключения (СДОС-10-2015 Положение об аттестации персонала в области ультрафиолетового неразрушающего контроля // Принято решением бюро Наблюдательного совета от 26.06.15 №74-БНС ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность»).
Известно устройство дистанционной диагностики состояния высоковольтных изоляторов (патент RU 2597962 С1, МПК G01R 31/08, опубл. 20.09.2016) при котором используют электрооптический датчик по значению коэффициента отражения от него лазерного пучка, которое пропорционально напряженности электрического поля. При этом предварительно электрооптический датчик градуируют путем внесения его в калиброванное переменное электрическое поле. Затем для каждого типа опорных высоковольтных изоляторов, которые подлежат диагностике, определяют в ходе стендовых измерений усредненные значения напряженности переменных электрических полей, соответствующие рабочему высокому напряжению и предельные границы градиентов напряженности электрических полей, не создающих электрический пробой или перекрытие изоляторов. Далее электрооптический датчик, размещенный на диэлектрической штанге и соединенный, через поляризационный дискриминатор и волоконный световод, с лазерным излучателем, а также с фотоприемником, сканируют по поверхности опорного высоковольтного изолятора, регистрируя одновременно по определенной компьютерной программе пространственное положение электрооптического датчика на поверхности изолятора и соответствующую ему напряженность электрического поля, измеряют нормальные и тангенциальные компоненты градиентов напряженности электрического поля. Затем пространственное распределение повышенных нормальных и тангенциальных к поверхности градиентов напряженности электрического поля сравнивают по определенной компьютерной программе с ранее записанным распределением значений напряженности для эталонного опорного высоковольтного изолятора и выделяют области возможных внутренних пробоев и поверхностных перекрытий в изоляторе путем выделения градиентов напряженности электрического поля, превышающих уровень, безопасный для нормального функционирования высоковольтных опорных изоляторов данного типа.
Недостатками данного устройства являются:
- контроль изоляторов проводится периодически;
- работы по диагностике проводятся в ручном режиме специалистом на действующем электрооборудовании;
- необходимо градуировать датчик в переменном калиброванном электрическом поле;
- для каждого типа изоляторов необходимо предварительно определять значения распределения напряженности электрического поля вдоль его оси;
- необходимо регистрировать пространственное положение датчика при измерениях.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения являются тестер канадской компании Positron Inc. (патент US 4760343, МПК G01R 29/12, опубл. 26.07.1988 г.), а именно: устройство для обнаружения дефектных изоляторов в изолирующей колонне, поддерживающей электрический проводник (кабель) линии электропередачи, в которой указанная колонна состоит из последовательно соединенных изоляторов. Указанное устройство содержит: чувствительное к электрическому полю средство в виде зонда электрического поля; средство для направления и смещения упомянутого зонда электрического поля вдоль оси, параллельной продольной оси упомянутой колонны для выполнения измерения электрического поля в предварительно определенных положениях вдоль колонны; средства для подсчета упомянутых изоляторов (когда упомянутый датчик электрического поля смещен) и для определения местоположения упомянутых предварительно определенных положений для получения значений электрического поля; средства для передачи значений электрического поля и сигналов положения; средства для приема и записи указанного количества изоляторов и упомянутых значений электрического поля, а также средства для анализа и соотнесения упомянутых значений электрического поля с состоянием целостности отдельных изоляторов, составляющих указанную изолирующую колонну. Чувствительное к электрическому полю средство, выполненное в виде зонда, содержит пару отстоящих друг от друга электродов, поддерживается параллельно друг другу на опорной раме зонда. Электроды указанного зонда ориентированы по существу вдоль плоскости, поперечной к продольной оси изолирующей колонны. Средство для подсчета изоляторов содержит детектор, который приводится в действие для замыкания, когда внешний обод каждого изолятора в упомянутой колонне определяется приемным элементом, посредством чего производится измерение упомянутого электрического поля. Средство передачи представляет собой передатчик частоты для передачи сигналов, представляющих упомянутые измеренные значения электрического поля и сигналы положения. Средство перемещения представляет собой удлиненную изолированную стрелу, шарнирно соединенную на одном конце с указанной направляющей рамой, посредством чего оператор может сместить указанную направляющую рамку к упомянутой колонне, манипулируя противоположным концом упомянутой стрелы.
Тестеры изолятора компании Positron Inc воспринимают и записывают распределение электрического поля вдоль изоляторов, показывая все проводные дефекты изолятора.
В результате исследований было установлено, что изменения в распределении электрического поля происходят вблизи дефектной части изолятора высоковольтной линии под напряжением. Эта зависимость была подтверждена не только в лабораторных условиях многих ведущих энергетических компаний, но и в ходе десятков тысяч практических испытаний с использованием оборудования компании Positron
Тестеры компании Positron обеспечивают получение надежных и точных результатов в отличие от других испытательных приборов, таких как ультрафиолетовый или инфракрасный детектор, которые основаны на визуальных показаниях и могут обнаружить только очень серьезные дефекты, которые уже очевидны и выходят далеко за пределы безопасности.
Метод измерения электрического поля позволяет выявить даже очень незначительные дефекты изоляторов задолго до того, как они создадут реальную опасность.
Недостатком данного тестера является значительная трудоемкость при проведении диагностики. Работы проводятся при участии человека на включенной линии электропередачи. Измерения такого вида выполняются выборочно на тех изоляторах, которые по данным визуальных и ИК/УФ наблюдений идентифицированы как проблемные. Невозможно выявить дефект, расположенный ближе 15 сантиметров от оконцевателя. При проведении измерений тестер передвигается вручную по изоляторам при помощи изолирующей штанги. Оператор располагается или на вышке, или на траверсе опоры.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества диагностики высоковольтных полимерных изоляторов за счет постоянного мониторинга в режиме реального времени напряженности резко неоднородного электрического поля вдоль оси высоковольтных линейных полимерных изоляторов и своевременном информировании о начале возникновения дефектов и их развитии в автоматическом режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для мониторинга и диагностики высоковольтных линейных полимерных изоляторов, содержащем средства для измерения напряженности электрического поля вдоль оси высоковольтного линейного полимерного изолятора, температуры изолятора, температуры и влажности воздуха в районе расположения изолятора, места расположения опоры и передачи этих данных на сервер центра мониторинга и диагностики для анализа, согласно изобретения, указанное средство содержит датчики напряженности электрического поля с элементами их крепления к высоковольтным полимерным изоляторам, каждый из которых расположен в корпусе, выполненным из диэлектрика, например из силиконовой резины, и состоит из емкостного источника питания, представляющего собой конденсатор отбора мощности с обкладками, расположенными параллельно друг другу, зазор между которыми заполнен слоем диэлектрика и электронного блока; одна из обкладок емкостного источника питания представляет собой металлическую пластину, а вторая обкладка выполнена в виде металлического плоского полого корпуса, в котором расположен электронный блок, состоящий из накопителя электрической энергии периодического действия, к которому подсоединены контроллер и радиопередатчик с антенной; причем, накопитель электрической энергии содержит диодный мост, вход которого соединен с обкладками емкостного источника питания, а к его выходу параллельно подсоединен промежуточный конденсатор, к которому через разрядный элемент присоединен накопительный конденсатор. Причем к входу контроллера присоединен датчик температуры, а к его выходу - радиопередатчик.
На каждой опоре линии электропередачи датчики напряженности электрического поля с элементами крепления расположены по одному на каждом высоковольтном полимерном изоляторе над оконцевателем, поддерживающим фазный провод, и прикреплены к центральному стержню изолятора для обеспечения расположения обкладок емкостного источника питания указанного датчика перпендикулярно оси изолятора.
Место для установки датчика выбрано исходя из того, что наблюдаемое на практике электрическое старение полимерных изоляторов чаще всего берет начало под защитной оболочкой на тройной границе «оконцеватель - стеклопластиковый стержень - воздух» со стороны высокого потенциала (F. Schmuck, J. Seifert, I. Gutman, A. Pigini: "Assessment of the condition of overhead line composite insulators", Paris, CIGRE-2012, B2-214.).
Кроме того, устройство снабжено базовыми станциями с элементами крепления к опоре для приема данных от датчиков напряженности электрического поля, каждая из которых содержит металлический корпус, в котором размещены контроллер, соединенный с источником питания, трансивером с передающей и принимающей антеннами, постоянным запоминающим устройством, GPS-модулем с антенной, датчиком температуры и влажности. Причем каждая опора линии электропередач имеет одну базовую станцию, принимающую данные от датчиков напряженности электрического поля, расположенных на изоляторах указанной опоры линии электропередачи. Базовая станция дополняет данные, полученные от датчиков напряженности электрического поля, данными по температуре и влажности в текущий момент времени, координатами места расположения опоры, временном сохранении и через запрограммированные промежутки времени эстафетным способом передает их через базовые станции, расположенные на других опорах, в заданном направлении на сервер центра мониторинга и диагностики для сохранения и анализа.
На основании информации, поступающей с датчиков напряженности электрического поля и базовой станции этой опоры через другие базовые станции на сервер центра мониторинга и диагностики, проводится анализ изменения электрического поля в месте установки датчика с учетом климатических факторов. По результатам анализа фиксируются начало и динамика развития дефекта и обеспечивается планирование замены изоляторов на линиях электропередачи до возникновения аварийной ситуации. Заявленное устройство работает в автоматизированном режиме, не требует участия линейного персонала.
Устройство иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для мониторинга и диагностики высоковольтных линейных полимерных изоляторов. На фиг. 2 изображен внешний вид датчика напряженности электрического поля. На фиг. 3 приведена схема расположения датчика напряженности электрического поля на высоковольтном полимерном изоляторе. На фиг. 4 представлена схема датчика напряженности электрического поля. На фиг. 5 представлена схема базовой станции. На фиг. 6 показано распределение напряженности электрического поля вдоль оси изолятора на поверхности оболочки для «полноценного» изолятора (Е) и упрощенной модели изолятора (D) и место установки датчика (Electric Field & Voltage Distribution Along Non-Ceramic Insulators. INMR. July 15, 2017.). На фиг. 7 приведен график относительных изменений времени заряда накопителя полученные экспериментально и график расчетной разности потенциалов наведенного на обкладках датчика напряженности электрического поля в % от начальных значений в зависимости от длины (в мм) трека (дефекта) в изоляторе.
Устройство для мониторинга и диагностики высоковольтных линейных полимерных изоляторов содержит средство для измерения электрического поля вдоль оси высоковольтного линейного полимерного изолятора, температуры изолятора, температуры и влажности окружающего воздуха, места расположения опоры для передачи на сервер центра мониторинга и диагностики с целью обработки и анализа.
Указанное средство содержит датчики 1 напряженности электрического поля с элементами их крепления (на чертежах не показаны) к высоковольтным полимерным изоляторам 2, базовые станции 3 с элементами их крепления к опорам 4 и сервер центра мониторинга и диагностики 5 размещенный на подстанции (фиг. 1, 3).
Каждый из датчиков 1 напряженности электрического поля (фиг. 2, 4) расположен в корпусе 6, выполненным из диэлектрика, например из силиконовой резины, и состоит из электронного блока 7 и емкостного источника питания 8, представляющего собой конденсатор отбора мощности с двумя обкладками 9, 10 расположенными параллельно друг другу. Зазор между обкладками 9, 10 заполнен слоем 11 диэлектрика. Обкладка 9 емкостного источника питания 8 представляет собой металлическую пластину 12, а обкладка 10 выполнена в виде металлического плоского полого корпуса 13. В корпусе 13 расположен электронный блок 7, состоящий из накопителя 14 электрической энергии периодического действия, к которому подсоединены контроллер 15 и радиопередатчик 16 с антенной 17. К контроллеру 15 подсоединен датчик температуры 18. Накопитель 14 электрической энергии содержит диодный мост 19, вход которого соединен с обкладками 9, 10 емкостного источника питания 8, а к его выходу подсоединен промежуточный конденсатор 20, к которому через разрядный элемент 21 присоединен накопительный конденсатор 22.
Датчики 1 напряженности электрического поля с элементами крепления расположены на траверсах 23 (фиг. 3) каждой опоры 4 линии электропередачи по одному на каждом высоковольтном полимерном изоляторе 2 (в зоне «А» с резко неоднородным электрическим полем, как показано на фиг. 3 и фиг. 6) над оконцевателем 24, поддерживающим фазный провод 25 и прикреплены к центральному стержню изолятора 2 для обеспечения нахождения обкладок 9, 10 емкостного источника питания 8 указанного датчика 1 перпендикулярно оси изолятора 2 в зоне «А» с резко неоднородным электрическим полем для обеспечения функционирования источника питания 8 и электронного блока 7.
Каждая из базовых станций 3 состоит из металлического корпуса 26 с элементами крепления к опоре 4, в котором расположены (фиг. 5) источник питания 27, контроллер 28 к входу которого присоединены датчик температуры и влажности 29, GPS-модуль 30. К входам и выходам контроллера 28 присоединены постоянное запоминающее устройство 31 и трансивер 32. К GPS-модулю 30 присоединена антенна 33. К трансиверу 32 присоединены приемная антенна 34 и передающая антенна 35.
Причем каждая опора 4 линии электропередачи имеет одну базовую станцию 3, принимающую данные от датчиков 1 напряженности электрического поля, расположенных на изоляторах 2 указанной опоры 4 линии электропередачи.
Устройство для мониторинга и диагностики высоковольтных линейных полимерных изоляторов работает следующим образом.
Датчик 1 устанавливается на изолятор 2 в зоне «А» воздействия резко неоднородного электрического поля (фиг. 3, 6).
При появлении дефектов в стеклопластиковом стержне изолятора 2 (в виде проникновения влаги и образования трека) происходит изменение потенциала вдоль оси изолятора 2 и изменение напряженности поля в зоне «А» расположения датчика 1 напряженности электрического поля устройства.
За счет емкостной связи между источником электрического поля и обкладками 9, 10 емкостного источника питания 8 (фиг. 2) датчика 1, на указанных обкладках наводятся разные потенциалы. В подключенном к источнику питания накопителе 14 электронного блока 7 возникает переменный ток который выпрямляется диодным мостом 19 и заряжает промежуточный конденсатор 20 (фиг. 4). Как только напряжение на конденсаторе 20 достигает напряжения срабатывания разрядного элемента 21, последний открывается и происходит зарядка накопительного конденсатора 22. Заряженный накопительный конденсатор 22 питает контроллер 15, который формирует сигнал и через радиопередатчик 16 передает его на базовую станцию 3 (фиг. 1). При уменьшении напряжения разрядный элемент 21 закрывается, конденсаторы 20 и 22 вновь последовательно заряжаются и процесс повторяется.
Изменение напряженности электрического поля в зоне «А» установки датчика 1 на изоляторе 2 (фиг. 6) оценивается по изменению времени зарядки емкостного накопителя 14 энергии от емкостного источника питания 8. Время зарядки накопителя 14 пропорционально напряженности электрического поля в зоне «А» установки датчика 1 на изоляторе 2. Таким образом, накопитель 14 электрической энергии периодического действия обеспечивает работу датчика 1 напряженности электрического поля в циклическом режиме. Емкости конденсаторов 20 и 22 рассчитываются таким образом, чтобы на контроллере 15 и радиопередатчике 16 было необходимое для работы напряжение. Время зарядки накопителя 14 до заданного напряжения зависит от величины напряженности электрического поля и меняется по мере развития дефекта в изоляторе 2. При появлении напряжения на контроллере 15 и радиопередатчике 16, контроллер 15 считывает из энергонезависимой памяти счетчик срабатываний, инкрементирует его, записывает обновленные данные в память и генерирует кодовую посылку, состоящую из идентификатора датчика 1, счетчика срабатываний, температуры изолятора и контрольной суммы. Данные сформированные контроллером 15 передаются радиопередатчиком 16 на базовую станцию 3, расположенную на опоре 4, где дополняются данными по температуре и влажности окружающего воздуха, текущем времени, координатами места расположения опоры 4, временно сохраняются и через заданный временной промежуток эстафетным способом через базовые станции 3, расположенные на других опорах 4 передаются в заданном направлении на сервер 5 центра мониторинга и диагностики расположенный на подстанции для сохранения и анализа.
По полученным данным строятся графики (фиг. 7) изменения электрического поля (времени заряда емкостного накопителя 14 энергии) в зависимости от состояния изолятора 2 и климатических условий, анализируя которые можно идентифицировать как появление дефекта и его развитие в изоляторах 2, так и изменение уровня загрязнения указанного изолятора 2.
Предлагаемое устройство мониторинга и диагностики изоляторов 2 позволяет одновременно в текущем режиме времени контролировать все изоляторы 2 на линии электропередачи и при появлении отклонений принимать плановые решения об их замене.
Таким образом, технический результат достигается тем, что анализируя изменение времени зарядки накопителя 14 датчика 1 между срабатываниями, в зависимости от температуры изолятора 2, температуры и влажности воздуха в месте установки изолятора 2, можно судить о причинах изменения напряженности электрического поля в зоне «А» установки датчика 1 на изоляторе 2 (фиг. 6). Изменение электрического поля в сухую погоду говорит о развитии токопроводящего дефекта в изоляторе 2 и необходимости принимать решение о его замене до возникновения аварийной ситуации. По изменению электрического поля во влажную погоду, образовании точки росы на поверхности изолятора 2 либо в окружающем его воздухе можно оценивать уровень загрязнения поверхности изолятора 2.