Устройство автоматического превентивного выявления повреждения электроустановки
DEVICE FOR AUTOMATIC PREVENTIVE DETECTION OF ELECTRICAL INSTALLATION DAMAGE

1. Описание
1.1 Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в схемах или системах питания электросетей и распределения электрической энергии.
1.2 Уровень техники
Из научно-технической литературы и информации из сети Интернет известно, что аварии на подстанциях могут произойти в результате неожиданных повреждений оборудования, нарушений в работе оборудования от возможных перенапряжений и воздействий электрической дуги, отказов в работе устройств релейной защиты, автоматики, аппаратов вторичной коммутации, ошибочных действий персонала (оперативного, ремонтного, производственных служб).
Известно, что причинами неожиданных повреждений оборудования зачастую являются некачественный монтаж и ремонт оборудования (например, отказы выключателей из-за плохой регулировки передаточных механизмов и приводов), неудовлетворительная эксплуатация оборудования, неудовлетворительный уход, например, за контактными соединениями, что приводит к их перегреву с последующим разрывом цепи рабочего тока и возникновению короткого замыкания, дефекты конструкций и технологии изготовления оборудования (заводские дефекты), естественное старение и форсированные износы изоляции.
Неконтролируемый перегрев - очень неприятное явление в любом виде промышленной деятельности, для любого устройства и механизма. Неисправный контакт или несмазанная деталь сигнализируют о нем едким запахом гари, после чего в подавляющем большинстве случаев эти изделия нуждаются в основательном ремонте или замене. А ведь обнаружить утечку тепла и предотвратить аварию или даже катастрофу, связанную с перегревом, можно на самых ранних этапах его появления. Для этого, например, достаточно взглянуть на объект потенциальной опасности через окуляр тепловизора.
На сегодняшний день тепловизоры являются оптимальным инструментом неразрушающего теплового контроля в самых разных отраслях промышленности. Основные сферы применения промышленных тепловизоров - это тепловой аудит объектов строительства, поиск неисправности электросетей, мониторинг производственных процессов и другие случаи, когда по неоднородности теплового поля можно судить о техническом состоянии контролируемых объектов.
Примеры выявленных дефектов электрооборудования средствами тепловизионной диагностики приведены, например, в [2].
Наиболее массовым объектом тепловизионного контроля в электроустановках являются контактные соединения в открытых и закрытых распределительных устройствах. К массовым объектам теплового контроля относятся также изоляторы в гирляндах ошиновки высоковольтных распределительных устройств, изоляторы на вводах силовых трансформаторов, электродвигателей, шинных мостов, фарфоровые крышки электрических аппаратов. Тепловизионный контроль применяется и для диагностики состояния многоэлементных вентильных разрядников, высоковольтных трансформаторов (по перегреву вводов определяют качество внутренней токовой петли в фарфоровой рубашке, заполненной маслом) и других элементов под токовой нагрузкой.
Во всем мире применение тепловизоров в электроэнергетике является одним из эффективных компонентов системы технической диагностики. Тепловизионное обследование обеспечивает возможность контроля состояния низковольтного и высоковольтного электрооборудования без вывода из работы, под рабочим напряжением. С помощью тепловизора выявляют дефекты на ранней стадии развития, прогнозируют сроки и объем ремонтных работ, сокращают затраты на техническое обслуживание, повышают надежность и безопасность эксплуатации электрооборудования.
Следует отметить, что применение тепловизоров на практике на сегодняшний день в электроэнергетике сложилось в виде периодических выездов специалистов различных служб диагностики основного оборудования на энергообъекты, в том числе, из-за достаточно высокой стоимости тепловизоров с высокими техническими характеристиками на начальном этапе их внедрения, необходимости обучения специалистов, системой допуска на высоковольтные объекты. Типовой структурой электросетевого предприятия в настоящее время, как правило, предусмотрены отдельная служба релейной защиты и автоматики и отдельная служба изоляции. Специалисты последней, как правило, и применяют тепловизоры. В устройствах РЗА применение тепловизоров широкого применения не нашло, но вместе с тем применяется защита от перегрева на основе замера действующего значения периодической составляющей протекающего тока и сравнения его с заданной уставкой. Защиты с замером температуры нагрева элемента электроустановки также нашли применение, и получили достаточно узкое применение, и являются, как правило, частью комплекса защит, которые имеют общее обобщенное наименование - «технологические защиты» или «технологическая автоматика», так как элементы данных защит устанавливаются в заводских условиях при изготовлении оборудования, и такого рода защиты устанавливаются по ТУ изготовителя.
Важным моментом является применение на распределительных подстанциях, пунктах и т.п. комплектных распределительных устройств на основе ячеек КРУ и (или) КСО, представляющих собой электротехнический шкаф с расположенным внутри электротехническим оборудованием и токоведущими частями. Специалисту с помощью тепловизора в руках контролировать оборудование, расположенное внутри электротехнического шкафа при закрытой дверце практически невозможно.
Кроме того, из существующего уровня техники известно про применение средства безопасного бесконтактного измерения температур объектов - лазерного пирометра для дистанционного замера температуры разных поверхностей, что делает его незаменимым для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высокого напряжения или в труднодоступных местах, например, для использования данной технологии на объектах электроэнергетики разработаны приборы мониторинга типа «Зной» (http://testelektro.ru).
В электроэнергетике при строительстве новых и реконструкции существующих энергообъектов применяются различные системы автоматизации, например, релейной защиты и автоматики (РЗА), автоматизированного управления технологическим процессом (АСУ ТП), сбора и передачи технологической информации (ССПИ), автоматического учета электроэнергии (АСКУЭ), и т.п., получившие обобщающее наименование - информационно-технологические системы (ИТС).
Абсолютное большинство ИТС в качестве входного параметра используют значения тока и напряжения, полученные, соответственно, от первичных преобразователей - трансформаторов тока и напряжения. Однако в электроэнергетике применяются и такие ИТС, как системы видеонаблюдения (СВН), контроля управления доступом (СКУД) и т.п., но функционально данные системы практически ничем не отличаются от аналогичных систем в иных областях промышленности и строительства. Например, функциональной задачей СВН является наблюдение за электроустановкой (при технологическом ВН), или за периметром (при охранном видеонаблюдении).
К различным системам предъявляются различные требования по быстродействию, чувствительности, надежности и т.п.
В электрических системах при строительстве новых и реконструкции существующих энергообъектов устройства РЗА в настоящее время выбираются, как правило, на микропроцессорной базе. Структурная схема такого устройства представлена, например, в [1] - Фиг. 3. Одно устройство, таким образом, аппаратно включает в себя несколько устройств, а микропроцессорная часть, в свою очередь, в своей логике может совмещать несколько устройств на электромеханической элементной базе.
Поскольку аналогичные функции, таким образом, выполняют устройства физические и устройства программные, получили распространение термины «устройство РЗА» и «функция РЗА», при этом под этими терминами понимаются устройства, выполняющие свою задачу и реализованные в едином или разнесенном микропроцессорном комплексе. Аналогичным образом широко используются в одинаковом значении термины «реле» и «орган чего-либо», например, «выходное реле» и «выходной орган».
Таким образом, термин «функция автоматики», по сути, идентичен термину «устройство автоматики», но в ряде случаев может оказаться более удобным в использовании, поскольку иногда термин «устройство», в свою очередь, используется как синоним к термину «изделие». Отдельные, же, органы или реле одной и той же функции, и выполняющие общее назначение, аппаратно могут располагаться в разных изделиях.
Специалист в данной области должен понимать, что в настоящем документе используются все эти термины для простоты и ясности и не ограничивают возможность реализации устройства по настоящей заявке какой-либо аппаратной базой.
В данном тексте термин «Схема» используется в значении - документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части устройства (функции) и связи между ними.
Следует также понимать, что употребляемые здесь термины и выражения имеют обычный технический смысл, который согласуется с такими терминами и выражениями, используемыми специалистами в указанной выше технической области.
Особо отмечается, что на текущий момент отсутствуют достоверные сведения о развитии аварий на электроустановках в результате длительного перегрева токопроводящих элементов и достоверная статистика о доле аварий, которые могли быть превентивно выявлены. Существует мнение, что на практике при расследовании аварий зачастую указывают надуманные причины маскируя при этом такие причины как низкий уровень технического обслуживания (некачественный монтаж и ремонт оборудования, неудовлетворительная эксплуатация оборудования, неудовлетворительный уход, например, за контактными соединениями) списывая их на заводские дефекты, старение изоляции, жизнедеятельность животного мира и т.п.
1.3 Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является превентивное выявление повреждений электроустановок.
Эта задача решается за счет того, что в составе электроустановки - электрической подстанции, распределительного пункта и т.п. предлагается предусматривать установку устройства автоматического превентивного выявления повреждения (УАПВП) элемента электроустановки - комплексной системы полного или частичного охвата, позволяющего создать «тепловой образ» объекта.
Под термином «тепловой образ» объекта понимается информационная модель, содержащая сведения о значении текущей температуры и изменении температуры за определенный промежуток времени контролируемых точек.
Устройство включает в себя первичные измерительные органы и(или) преобразователи (ИО) - 1, микропроцессорную систему (МПС) - 2, включающую систему непрерывного мониторинга, выходные органы (ВО) - 3. Устройство должно иметь питание от системы надежного и бесперебойного питания.
ИО должны обеспечивать наиболее полный охват электроустановки (ЭУ), с учетом текущего технического уровня, и предоставлять информацию о температуре отдельных узлов ЭУ в виде, достаточном для обработки программными средствами микропроцессорной системы (в виде текущего значения температуры, в виде видеокадров и т.п.) и создания «теплового» образа объекта, а также информацию о значении токовой нагрузки элементов ЭУ.
Под элементом ЭУ, на примере электрической подстанции, понимается присоединение (ячейка отходящей линии, ячейка силового трансформатора, ячейка трансформатора напряжения и т.д.). ИО должны быть готовы к работе в условиях повышенных электромагнитных полей и передавать информацию в МПС без передачи электромагнитных помех.
Измерительный орган каждого из элементов ЭУ представляет из себя совокупность технических средств, позволяющую создать тепловой «образ» элемента:
- для контроля температуры главных цепей (контактов высоковольтного оборудования, соединений сборных шин, места соединения и оконцевания кабельных муфт и т.п.), находящихся под напряжением, предлагается предусматривать установку пирометрических термометров и (или) стационарных тепловизоров.
- информацию о значении токовой нагрузки элементов ЭУ получать от трансформаторов тока (возможно и от смежных систем, например, ССПИ), устанавливаемых на любом действующем объекте электроэнергетики.
МПС - 2 должна обеспечивать сбор, обработку и анализ информации от ИО, хранение архивной накопленной информации.
МПС последовательно с цикличностью один раз в определенный промежуток времени проводит тестирование каждого направления создания «теплового» образа объекта (ИО), каждого электронного тракта прохождения команд до выходных реле и принимает решение об их состоянии. Подсистема обработки информации формирует «тепловой образ» объекта, выделяет значение температуры наиболее нагретой точки элемента ЭУ. Подсистема анализа информации, полученной от ИО («теплового образа» объекта), должна выявлять отклонение контролируемых параметров, подобно тому, как человек чувствует ухудшение самочувствия, сопровождающееся повышением температуры тела при практически любом заболевании.
По меньшей мере, в составе МПС предлагается использовать орган, фиксирующий приближение температуры наиболее нагретой точки в составе контролируемого элемента ЭУ к предельному длительно-допустимому значению температуры этого элемента (провода, шины и т.п.). Данный орган представляет собой более грубую ступень и предназначен для выявления повреждений, появление которых привело к существенному повышению температуры элемента ЭУ. Предусматривается возможность действия на отключение (функция в резерве). Действует на сигнал. Предусматривается контроль: значение протекающего тока приближалось/не приближалось к значению длительно-допустимого тока для элемента ЭУ.
Также в составе МПС предлагается предусматривать, вторую, более чувствительную, ступень контроля температуры (системы непрерывного мониторинга). Вторая ступень предназначена для выявления повреждений, появлению которых предшествовал заметный техническими средствами рост температуры контролируемого элемента электроустановки. Логика работы этой ступени описана ниже.
Как известно, по закону Джоуля - Ленца количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке, сопротивления участка и времени протекания. Приняв в качестве рассматриваемого участка любой из элементов ЭУ, так как для оборудования и ошиновки, работающих в штатном режиме, величина электрического сопротивления является величиной, близкой к постоянной (с поправкой на температуру окружающей среды), то, имея замер величины действующего значения периодической составляющей протекающего тока, по величине выделяемой теплоты можно оценить состояние оборудования:
2
Q~IZ, где Q - количество теплоты, I - значение силы тока, Z - сопротивление.
Величину выделяемой теплоты можно оценить по величине изменения температуры тела, ведь, как известно из курса физики, изменение температуры тела равно отношению количества полученной теплоты к произведению теплоемкости тела на его массу.
ЭУ, как правило, представляет из себя объект, статичный в пространстве. И такие параметры как теплоемкость, массу, электрическое сопротивление (с поправкой на температуру окружающей среды) для оборудования и ошиновки - составляющих элемента ЭУ можно условно принять в качестве постоянных величин уже потому, что эти составляющие (и оборудование, и ошиновка) - являются это одним и тем же физическим телом (предметом, изделием). Тогда, раз параметры ЭУ крайне мало изменяются в течение длительного времени (годами, и даже десятилетиями), не возлагая на МПС сложных расчетов по моделированию объекта и расчетному определению ожидаемого выделяемого количества теплоты, можно оценить выделенное количество теплоты на контролируемом участке с количеством теплоты, выделенной ранее, в аналогичных условиях, по значению изменения температуры тела. То есть ожидается, что при одной и той же температуре окружающей среды и одном и том же значении протекающего тока температура контролируемых участков элемента ЭУ и изменение этой температуры за определенный промежуток времени будут приблизительно равны (подобны, аналогичны) аналогичным параметрам в прошлом в тех же условиях (например, сутки назад, год назад и т.п.).
Пример простейшей блок-схемы данного процесса приведен на рисунке - Фиг. 1. Крайне упрощая, данный процесс можно сравнить с паспортным контролем: а именно насколько человек («тепловой образ» объекта) соответствует своей фотографии («тепловому портрету»). В силу суточного и годового колебания уровня электрических нагрузок, архивных «тепловых портретов» для любого элемента электроустановки в архиве МПС будет достаточно много. Более того, возможно ожидать, что проявится дополнительный эффект - по изменениям «теплового портрета» во времени возможно удастся оценить скорость электрического старения того или иного элемента ЭУ.
Под термином «тепловой портрет» объекта (элемента ЭУ) понимается совокупность статистических данных, содержащая множество «тепловых образов» объекта (элемента ЭУ), накопленное в долгосрочном периоде.
Очевидно, что поскольку электрическое сопротивление оборудования и ошиновки в составе ЭУ крайне мало, то существенные отклонения «теплового образа» объекта от его же «теплового портрета» возникнут при возникновении дополнительного электрического переходного сопротивления, появление которого, как правило, и является признаком возникновения повреждения и сопровождается дальнейшим развитием повреждения элемента электроустановки. Практика применения тепловизоров подтверждает, что в месте развития будущей аварии наблюдается повышенная неравномерность теплового поля.
Выходной орган - 3 должен действовать по меньшей мере на сигнал с вызовом оперативного персонала.
Функциональная схема предлагаемого устройства УАПВП представлена на рисунке - Фиг. 2.
Наиболее близкими аналогами являются устройство дуговой защиты ячеек КРУ и система технологического видеонаблюдения. Данная система - устройство автоматического превентивного выявления повреждения электроустановки (УАПВП) близка:
- по логике выявления повреждений ЭУ - к дуговой защите ячеек КРУ, а именно тем, что для выявления повреждения используются неэлектрические параметры (в дуговой защите выполняется контроль повышения давления в замкнутом пространстве или контроль возникновения световой вспышки, как известно, оба этих фактора сопровождают короткое замыкание в ячейке КРУ) в сочетании с электрическими (контроль броска протекающего тока), а отличия заключаются, во-первых, в том, что контролируются принципиально иные параметры с принципиально иной логикой работы, во-вторых, в том, что создание и контроль «теплового образа» ЭУ позволяет выявлять повреждения ЭУ до момента возникновения короткого замыкания, соответственно, УАПВП не может быть отнесено к устройствам релейной защиты, в силу особенностей физических процессов нагрева и охлаждения, данное устройство допустимо исполнять медленнодействующим и, до проведения пробной эксплуатации, его предлагается исполнять с действием на сигнал.
- по структурной схеме - к системе видеонаблюдения, а именно тем, что в структурной схеме имеются ИО и МПС, а отличие заключается в том, что задачей СВН является запись и фиксация событий в зоне съемки, а задачей УАПВП является превентивное выявление повреждений средствами автоматизации, соответственно, вместо видеокамер используются ИО, которые включают в себя более широкое множество устройств, хотя и могут быть, в том числе, реализованы и на базе видеокамер с функцией съемки в тепловом диапазоне, при этом в такой системе будет не просто записываться визуальная информация, а будет обрабатываться и анализироваться информация о «тепловом образе» электроустановки.
Предлагаемое устройство (УАПВП) по совокупности свойств не имеет аналогов и может быть выделено в отдельный класс подсистем, применяемых в составе информационно-технологических систем электроустановок.
Ожидается, что после проведения опытной эксплуатации и накопления достоверной статистики развития повреждений в действующих ЭУ характеристики и функциональные свойства УАПВП могут быть дополнены и улучшены.
1.4 Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Пример простейшей блок-схемы процесса мониторинга температуры элемента цепи в составе второй, чувствительной, ступени контроля температуры. На рисунке приведен пример простейшей блок-схемы процесса мониторинга температуры элемента цепи в составе второй, чувствительной, ступени контроля температуры.
Фиг. 2 - Функциональная схема УАПВП. На рисунке приведена функциональная схема предлагаемого устройства (УАПВП).
Фиг. 3 - Структурная схема микропроцессорной защиты. На рисунке приведена функциональная схема прототипа - микропроцессорного устройства релейной защиты. Рисунок скопирован из [1].
1.5 Осуществление изобретения
Изобретение может быть реализовано при выполнении проектов электроустановок на стадии разработки и утверждения проектной документации. Существующие электроустановки могут быть оснащены устройствами АПВПЭУ при текущих ремонтах, технических перевооружениях или по целевой программе.
2. Список литературы
1. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защиты электроэнергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998.
2. Поляков В.. Эксплуатация высоковольтного электрооборудования. Поиск эффективной системы диагностики. - Новости ЭлектроТехники, 2019, №4(118)-5(119), сс. 66-71.